胰島分離器制冷系統方案設計

李開良

南京醫科大學第一附屬醫院 臨床醫學工程處，江蘇 南京 210029

引言

胰腺組織的移植，包括胰腺器官（胰腺）和胰島細胞（胰島）移植，已經被公認為是治療Ⅰ型糖尿病的一個臨床選擇。成功的胰腺或胰島移植相對于傳統的外源性胰島素注射療法來說，可以達到一個正常或接近正常的血糖控制水平和糖化血紅蛋白水平，而且還不會出現胰島素療法經常出現的嚴重的低血糖反應。與胰腺移植相比，成人胰島細胞（胰島）移植更加安全，手術簡捷，并發癥極少[1]。胰島移植的成功的關鍵在于從供體中分離出純度高、數量多、活力強的胰島細胞。胰島分離是一個復雜的過程，包含了胰腺組織在酶作用下的消化過程和利用腺泡和胰島的密度差異進行離心分離提純過程[2-3]。

1 細胞處理器（COBE2991）基本工作原理

利用美國金寶公司生產的COBE2991細胞處理器可從人類腺泡組織中提取胰島細胞。COBE299l細胞處理器原本是設計用來洗滌和凈化紅細胞的儀器，主要由4部分組成：① 一個底部為塑料膠膜的離心盤，為安裝離心袋的部位；② 液壓裝置，位于離心盤塑料膠膜下，可以擠壓其上的膠膜以使位于離心袋內的液體流出[4]；③ 由儀器生產商生產的專用的一次性離心袋，為一圓盤狀塑料袋，其一面的中心部位連一主管道及由主管道分出的幾個管道，使用時安裝在離心盤上，可以經管道加入純化底物及排出純化產物[5]；④ 控制系統，可以設置自動及手動模式，設置轉速、時間及流出體積、速度等[6]。

2 細胞處理器現存問題

由于儀器工作過程中高速離心會產生大量的摩擦熱，使離心袋內的溫度升高，對胰島分離產生不利影響（溫度過高酶和細胞的新陳代謝速度過快，大大降低了胰島的純度、數量和活力），研究表明COBE 2991細胞處理器在室溫超過29.4℃的環境中運行儀器可使離心袋內的溫度超過40℃。因此為了提高胰島的純度、數量和活力應適當降低離心倉的溫度。本文介紹了給COBE2991細胞分離機加裝制冷系統的方法及效果[7]。

3 系統設計

COBE2991細胞分離機可選配內部帶制冷系統，其制冷效果好且穩定，但價格較貴。我院購買的COBE2991細胞分離機不帶內部制冷系統。為了提高胰島分離效果，我們對其增加制冷系統。我們設計了兩套改裝方案：水冷系統和風冷系統。

3.1 水冷系統

參考許多設備的冷卻系統，我們首先選擇水冷系統，因其具有工作噪聲小，制冷效果明顯，工作成本低等優點。水冷系統的制冷原理是在細胞處理器的離心倉外壁纏繞散熱銅管，作為熱交換器，在銅管中通有循環冷卻水，接到機器外部的循環低溫恒溫水浴箱，以達到給離心倉降溫的目的，見圖1。其在工作的過程中不需要破壞離心艙外部結構，僅需要將散熱銅管緊密纏繞在離心艙外壁，通過降低離心艙外壁溫度來達到離心艙內部空間溫度的降低，其原理類似冷凍離心機[8-9]。但在實際操作過程中此方案存在兩個問題：① 在離心倉外壁纏繞散熱銅管需要專門工具，銅管不易貼合離心倉外壁，且需要拆卸機器，容易造成人為故障；② 當實驗室內濕度較大時，散熱銅管外壁容易形成大量凝結水滴落到機器內部，造成機器內部電路故障等嚴重后果[10]。因此放棄水冷系統，改由風冷系統。

圖1 水冷系統原理圖

3.2 風冷系統

許多工廠在給小范圍環境進行降溫時，通常會使用移動式冷風機進行降溫。移動式冷風機的工作原理類似空調機，是把空調的室外機組和室內出風組合在一起的新型制冷系統。移動式冷風機在外部看有3個風口，分別為冷風出風口、熱風出風口、進風口。進風口進風到機器內部，在熱交換系統進行熱交換，冷風和熱風分別從各自出風口吹出，引冷風口的風即可達到風冷的效果。鑒于此，我們設計了另一種制冷系統即風冷系統，系統框圖，見圖2。

圖2 風冷系統原理圖

風冷系統方案的原理是利用移動冷風機吹出的冷風給離心倉降溫。加工一塊離心倉有機玻璃蓋板（原裝蓋板留用），在加工的離心倉有機玻璃蓋板上開兩個直徑為50 mm的進出風孔，兩個孔分別和移動冷風機的冷風出風口、進風口相連。冷風機工作時產生的循環冷風不斷給離心倉降溫，以達到降溫的目的。風冷系統可以直接將冷風吹到離心艙內，不需要通過離心艙外壁進行熱交換，制冷效果較明顯[11-12]。熱風出風口通過層流間的回風通道通向層流間外，使熱風不影響層流間（實驗室內）環境溫度[13-14]。

研究表明冷風機的冷風溫度比環境溫度低10℃～15℃，在實驗室恒溫25℃的情況下，可以使離心艙溫度降低15℃以上，并且由于降溫幅度不大，通風管道外壁及離心艙外壁沒有冷凝水出現，夠滿足制冷需求。此方案實施簡單，不改變細胞分離機內部結構，降低人為故障，離心倉內無冷凝水出現，并且能有效的降低離心倉溫度，明顯的提高胰島分離質量與效果[15]。因此我們選擇風冷方案對COBE2991細胞處理器進行制冷改裝[13]。改裝后實物圖，見圖3。

圖3 風冷系統改造實物圖

4 系統應用

利用移動式冷風機改裝的制冷系統加裝完成后，為了驗證方案的可行，我們做了對比實驗。驗證季節為夏季，層流室內環境溫度為25℃，相對濕度為60%。實驗做3個對照組，每個對照組測得5組結果。3個對照組對照條件及結果，見表1。

表1 實驗結果對照表（℃）

由實驗結果可以發現，不使用制冷系統時測得離心倉內的溫度隨著離心機工作，溫度不斷升高，最終穩定在38℃左右。當使用制冷系統且COBE2991細胞處理器不工作時，測得離心倉內溫度隨著制冷系統的工作，不斷降低，最終穩定在10℃左右[16]。當使用制冷系統且細胞處理器正常工作時，測得離心倉內溫度隨著機器工作，先是上升后下降，最終穩定在17℃左右。從以上對比實驗可以看出，當COBE2991細胞處理器工作過程中使用制冷系統，可有效降低倉內溫度，可以滿足胰島分離需要低溫的要求[8]。使用Graph-pad-prism統計分析軟件進行統計分析，得到統計分析柱狀圖，見圖4。從圖中可以看出，條件a與條件c的統計分析結果P＜0.01，差異具有統計學意義，進一步說明該方法的有效性。

圖4 制冷系統使用前后a、b、c 3個條件下離心艙內溫度統計柱狀圖

5 結論

我院實驗室在使用加裝制冷系統后的COBE2991進行胰島分離，所分離胰島的質量較之前大大提高，滿足了臨床的需求。此系統的安裝不影響細胞分離器的內部結構，不影響細胞分離器的正常工作，且支出費用相對較低，成本僅需一臺移動式冷風機和管道若干米。儀器使用過程中的改裝前提是要在確保儀器正常功能不受影響，改裝后應提高工作效率。

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