在生物样品低温保存的降温过程中,降温速率是影响细胞经过冷冻的存活率的一个重要因素。生物样品的低温保存通常采用“两步法”,即第一步先将生物样品采用某个较慢的降温速率降温到-80℃并维持一段时间,然后第二步,再将已经处于-80℃状态的生物样品直接投入液氮罐里(-196℃)进行深低温的长期保存。目前将生物样品降温到-80℃过程普遍使用液氮程序降温仪进行。这种方式存在着造价昂贵、操作繁琐、使用和维护成本高等缺点,因此有必要开发出一种价格便宜、操作简单、使用和维护成本低的低温保存降温方式。本文通过建立生物样品被动降温过程中的传热学模型,设计制作出盒控降温仪,并研究了多种细胞冷冻保存的效果。首先,本文对脐静脉内表皮细胞(HUVEC)冷冻过程水的跨膜传输和胞内冰形成机理研究,建立HUVEC冷冻过程水的跨膜传输和胞内冰形成规律的数学模型,然后在低温冷台上对HUVEC按照1℃/min、10℃/min和20℃/min降温速率进行降温过程的体积变化和冰晶形成规律进行统计。统计了相应这3种降温速率的HUVEC 508个、370个和331个,并通过计算和拟合,获得HUVEC在冷冻保存过程中水的跨膜传输和胞内冰形成机理。接着,本文通过建立用冻存袋保存的HUVEC在被动降温过程中的传热学模型,设计和开发了一种盒控降温仪来对生物样品进行慢速降温。设计过程中建立了被动降温过程中样品相变和传热的热力学数学模型,通过计算和仿真获得盒控降温仪外壳和隔热材料的尺寸,再通过工业化的设计,制作出盒控降温仪的样机。本文选用8组独立的HUVEC样品分别用盒控降温仪和液氮程序降温仪进行验证对比。具体是采用荧光染色检测和流式细胞仪检测2种方式分别对比细胞存活率后发现,2种降温方式保存的HUVEC细胞存活率无显著差异。随后,考虑到目前生物样品在低温保存时常采用冻存管保存,本文对冻存管装的生物样品用盒控降温仪降温的方式建立热力学模型,通过仿真分析冻存管在降温过程中的热分布和降温曲线,确定冻存管在本文设计的盒控降温仪中的使用方法。本文分别用10组细胞治疗中常用的Natural Killer T cells(NKT)分别使用盒控降温仪和液氮程序降温仪方式进行对比测试。通过流式细胞仪检测细胞存活率、NKT的肿瘤杀伤性测试、以及观察NKT细胞具有和3个以上绵羊红细胞结合能力的E花环实验,结果显示:2种方式保存的NKT的细胞存活率存在显著差异,盒控降温仪保存的NKT的细胞存活率更好;2种方式保存的NKT具有无显著差异的肿瘤杀伤能力;并且2种方式保存的NKT均具有和3个以上绵羊红细胞结合的能力。最后,本文通过和河北省干细胞库合作进一步验证盒控降温仪的性能。本文用盒控降温仪分别保存和新生儿的脐带血相关的9组造血干细胞(HSC)和10组间充质干细胞(MSC),并和液氮程序降温仪分别保存的相同数量样本进行对比。通过流式细胞仪检测,2种方法保存的HSC和MSC细胞均具有无显著差异的细胞存活率。本文还测试了 HSC的集落形成检测(Colony-Forming Units、简称CFU检测)和MSC细胞的干细胞分化实验。结果显示2种方式保存的HSC在CFU检测中均观测到CFU-GM和CFU-E菌群;2种方式保存的MSC都具有成脂、软骨和成骨分化能力。此外,本文还对用盒控降温仪保存的HSC样品在6个月、12个月和18个月以后分别用流式细胞仪检测存活率和CFU检测,结果均观测到相近的细胞存活率,并且在CFU检测中均观测到CFU-GM和CFU-E菌群。