Lưu trữ pha hơi hay pha lỏng? So sánh toàn diện hai phương pháp Cryogenic Storage

Lưu trữ pha hơi và pha lỏng đã được ứng dụng trong nhiều thập kỷ, và không có câu trả lời đúng cho mọi trường hợp. Bài viết này so sánh trực tiếp hai phương pháp trên các tiêu chí quyết định — ngưỡng nhiệt độ, bằng chứng thực tế về nguy cơ nhiễm chéo, mức tiêu hao LN₂, an toàn vận hành và tổng chi phí sở hữu — để bạn có cơ sở lựa chọn cấu hình phù hợp với quy trình và yêu cầu quản lý chất lượng của cơ sở mình.

Hai phương pháp lưu trữ trong lưu trữ lạnh sâu với hệ thống nitơ lỏng

Trong một hệ thống dùng nitơ lỏng (LN₂), mẫu có thể được bảo quản theo hai cách:

Lưu trư pha lỏng (Liquid Phase)

Mẫu đặt trực tiếp trong nitơ lỏng, nhiệt độ khoảng -196°C — gần điểm sôi của LN₂ ở áp suất khí quyển, lúc này nitơ lỏng bao quanh toàn bộ giá lưu mẫu.

Trong lưu pha lỏng, Cryobox hoặc Cane được nhúng trực tiếp vào nitơ lỏng. Ưu điểm lớn là nhiệt độ đồng đều, khả năng truyền nhiệt rất cao, phục hồi nhiệt nhanh sau khi mở nắp. Do mẫu luôn nằm trong môi trường LN₂ nên nhiệt độ gần như không thay đổi đáng kể. Đây là lý do lưu pha lỏng đã được sử dụng trong Cryobiology từ rất sớm.

Lưu trữ pha hơi (Vapor Phase)

Mẫu nằm phía trên mặt nitơ lỏng, không tiếp xúc trực tiếp với LN₂. Tùy thiết kế bình, vùng hơi thường duy trì trong khoảng -180°C đến -190°C (Consarctic).

Ở các bình Cryogenic chất lượng cao như (chèn sản phẩm MVE), vùng Vapor Phase được thiết kế để duy trì nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ vùng lưu trữ. Trong Vapor Phase, đáy bình vẫn chứa nitơ lỏng. Nitơ liên tục bay hơi và khí nitơ cực lạnh lấp đầy toàn bộ khoang chứa mẫu. Nếu bình được thiết kế tốt:

• Nhiệt độ vùng hơi luôn thấp hơn -150°C
• Chênh lệch nhiệt độ giữa các rack rất nhỏ
• Mẫu không tiếp xúc trực tiếp với LN₂

Điều này giúp vừa duy trì điều kiện Cryogenic vừa hạn chế một số rủi ro liên quan đến tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng.

Vì sao cả hai phương pháp đều bảo quản được tế bào?

Liquid Phase (-196°C) và Vapor Phase (-180°C đến -190°C), có thể thấy Vapor “ấm hơn”, dẫn đến lầm tưởng sẽ kém an toàn hơn. Nhưng yếu tố quyết định trong Cryogenic Storage không phải là nhiệt độ càng thấp càng tốt, mà là nhiệt độ phải luôn thấp hơn Glass Transition Temperature (Tg) của nước — khoảng -132°C đến -135°C. Dưới ngưỡng này, chuyển động phân tử và phản ứng hóa học trong mẫu gần như dừng lại hoàn toàn (Air Products).

Vì cả Liquid Phase (-196°C) và Vapor Phase (-180°C đến -190°C) đều nằm sâu dưới ngưỡng này, cả hai đều đáp ứng yêu cầu bảo quản dài hạn — với điều kiện hệ thống được thiết kế và vận hành đúng cách.

Nên lưu pha hơi hay pha lỏng: Câu hỏi không có một đáp án đúng cho mọi trường hợp

Một trong những câu hỏi phổ biến nhất khi xây dựng hệ thống Cryogenic Storage là nên lưu trữ mẫu ở pha hơi (Vapor Phase) hay pha lỏng (Liquid Phase). Cả hai phương pháp đều đã được ứng dụng trong nhiều thập kỷ qua tại Cell Therapy, IVF, Biobank, Blood Bank, Gene Therapy, sản xuất vaccine và các phòng thí nghiệm nghiên cứu. Nhiều người cho rằng pha hơi hiện đại hơn, pha lỏng lạnh hơn nên tốt hơn hay pha lỏng dễ gây nhiễm chéo nên không còn phù hợp, … Thực tế, không có câu trả lời đúng cho mọi trường hợp.

Điều quyết định không phải là xu hướng đang phổ biến, mà là mục đích sử dụng, loại mẫu, mức độ rủi ro chấp nhận được và yêu cầu quản lý chất lượng của từng cơ sở.

So sánh pha lỏng và pha hơi

So sánh về nhiệt độ

Nếu sử dụng bình Cryogenic chất lượng cao, cả hai phương pháp đều đáp ứng yêu cầu lưu trữ dài hạn.

So sánh về nguy cơ nhiễm chéo

Trong Liquid Phase, nếu Cryovial bị nứt, không kín hay hàn không đạt, thì nitơ lỏng có thể đi vào bên trong. Trong trường hợp rất hiếm, nếu mẫu bị nhiễm vi sinh hoặc virus và vật chứa không đảm bảo tính toàn vẹn, nguy cơ phát tán tác nhân vào môi trường nitơ lỏng có thể tăng lên. Chính vì vậy nhiều hướng dẫn chuyên ngành khuyến nghị sử dụng cryovial đạt chuẩn, hệ thống lưu trữ kín, quy trình đóng gói phù hợp và đánh giá rủi ro theo từng ứng dụng.

Vapor Phase giúp giảm đáng kể khả năng tiếp xúc trực tiếp giữa mẫu và LN₂, nhưng không loại bỏ hoàn toàn nhu cầu kiểm soát chất lượng vật tư lưu trữ. Nhưng điều này cũng đủ dẫn đến pha hơi ngày càng phổ biến hơn trong các ứng dụng nhạy cảm. Năm 1995, The Lancet công bố một trường hợp lây nhiễm viêm gan B (HBV) ở sáu bệnh nhân được điều trị bằng tế bào gốc tủy xương/máu ngoại vi lưu trữ chung trong một bình pha lỏng. Điều tra cho thấy túi lưu trữ của một bệnh nhân bị nhiễm HBV đã rò rỉ, khiến virus phát tán vào nitơ lỏng và lây nhiễm chéo sang các mẫu khác trong cùng bình (Tedder et al., 1995, The Lancet).

Các nghiên cứu thực nghiệm sau đó xác nhận cơ chế này ở cả hai chiều: từ nitơ lỏng nhiễm khuẩn sang mẫu, và ngược lại. Một nghiên cứu trên tạp chí Animals (2020) thử nghiệm với vi khuẩn và nấm gây bệnh (Salmonella, Staphylococcus, Enterobacter, Aspergillus) trong bình Liquid Phase dạng nhôm cho thấy khả năng lây nhiễm chéo hai chiều khi vật chứa mẫu không đảm bảo tính toàn vẹn (Marin et al., 2020, PMC).

So sánh về mức tiêu hao LN₂

Mức tiêu hao phụ thuộc vào chất lượng lớp chân không, thiết kế cổ bình, tần suất mở nắp, điều kiện môi trường, quy trình vận hành và kích thước bình. Trên thực tế, một bình có lớp chân không tốt thường tiết kiệm LN₂ hơn một bình chất lượng thấp, bất kể sử dụng Vapor hay Liquid.

So sánh về vận hành an toàn

Việc cho rằng Vapor Phase luôn tốt hơn là quan điểm khá phổ biến nhưng điều này không hoàn toàn đúng. Nếu bình có thiết kế kém — vùng hơi không đồng đều, mở nắp lâu, mức LN₂ xuống thấp — nhiệt độ vùng trên có thể tăng lên và thu hẹp biên an toàn so với ngưỡng Tg. Chất lượng thiết bị quan trọng hơn việc chỉ nhìn vào Liquid hay Vapor. Một bình Cryogenic được thiết kế tốt sẽ kiểm soát đối lưu khí, duy trì vùng hơi ổn định, giảm dao động nhiệt và phục hồi nhanh sau thao tác mở nắp. Một số dòng có thể kể đến là (sản phẩm của MVE)

Chọn phương pháp nào theo từng ứng dụng?

Cell Therapy (MSC, CAR-T, NK, iPSC, Gene Therapy)

Nhiều cơ sở hiện nay ưu tiên Vapor Phase, phù hợp với chiến lược quản lý rủi ro và giảm khả năng tiếp xúc trực tiếp giữa các mẫu. Tuy nhiên, quyết định cuối cùng vẫn phụ thuộc vào đánh giá rủi ro của cơ sở, yêu cầu quy trình, vật tư lưu trữ sử dụng, quy định nội bộ và yêu cầu của cơ quan quản lý áp dụng cho từng loại sản phẩm.

IVF

Cả hai phương pháp đang được áp dụng trên thế giới. Lựa chọn phụ thuộc vào chính sách của từng trung tâm, loại Cryovial hoặc Straw, quy trình vitrification, và hệ thống quản lý chất lượng. Điều quan trọng nhất vẫn là duy trì nhiệt độ Cryogenic ổn định và bảo đảm tính toàn vẹn của mẫu.

Tham khảo một giải pháp lưu trữ cho phôi và tinh trùng

Biobank

Một Biobank hiện đại cần xem xét loại mẫu, thời gian lưu trữ, quy mô, mức độ tự động hóa, khả năng truy xuất mẫu và chiến lược quản lý rủi ro — trong khung tham chiếu của ISO 20387:2018, tiêu chuẩn quốc tế quy định yêu cầu về năng lực, tính khách quan và vận hành nhất quán của biobank, bao gồm cả việc lưu trữ và truy xuất mẫu (ISO 20387:2018). Không có một mô hình duy nhất áp dụng cho mọi biobank.

Xem thêm: Giải pháp xây dựng Ngân hàng máu cuống rốn đạt chuẩn AABB GMP của Biogroup Vietnam

Bảng khuyến nghị theo ứng dụng

Những yếu tố quan trọng hơn việc chọn Vapor hay Liquid

Trong thực tế, phần lớn sự cố Cryogenic không xuất phát từ việc chọn Vapor hay Liquid, mà từ:

1. Bình suy giảm chân không — làm tăng tiêu hao LN₂ và giảm ổn định nhiệt.
2. Thiếu giám sát liên tục — không phát hiện được mức LN₂ thấp, cảnh báo, hoặc dao động nhiệt.
3. SOP chưa đầy đủ — ví dụ mở nắp quá lâu, lấy nhiều rack cùng lúc, không ghi nhận lịch sử bổ sung LN₂.
4. Thiết bị chất lượng thấp — ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định nhiệt, chi phí LN₂, tuổi thọ hệ thống và an toàn mẫu.

Đây cũng là lý do các dòng bình hiện đại tích hợp sẵn hệ thống giám sát — ví dụ bộ điều khiển TEC3000 trên một số dòng MVE Cryogenic Storage theo dõi liên tục nhiệt độ và mức LN₂, tự động châm bình khi cần và phát cảnh báo âm thanh/hình ảnh khi có bất thường (MVE Biological Solutions) — giúp giảm phụ thuộc vào thao tác thủ công, vốn là nguồn gốc phổ biến của sai lệch SOP.

Góc nhìn Total Cost of Ownership (TCO)

Giá mua ban đầu chỉ phản ánh một phần chi phí vòng đời của một hệ thống Cryogenic Storage. Các yếu tố cần đánh giá trong toàn bộ vòng đời thiết bị bao gồm: chi phí tiêu hao LN₂, chi phí điện cho hệ thống giám sát, chi phí bảo trì và kiểm định, tuổi thọ bình lưu trữ, thời gian ngừng hoạt động khi bảo trì hoặc sửa chữa, chi phí đào tạo nhân viên, và chi phí quản lý rủi ro/xử lý sự cố.

Một hệ thống có giá đầu tư ban đầu cao hơn nhưng tiêu hao LN₂ thấp, độ bền chân không tốt và dịch vụ kỹ thuật đáng tin cậy có thể mang lại TCO thấp hơn trong 15-20 năm vận hành, so với một hệ thống rẻ hơn ban đầu nhưng tiêu hao nhiều LN₂ hoặc xuống cấp nhanh.

Kết luận

Không có câu trả lời tuyệt đối cho câu hỏi Vapor Phase hay Liquid Phase tốt hơn. Cả hai đã được chứng minh có thể bảo quản mẫu sinh học lâu dài khi nhiệt độ được duy trì dưới ngưỡng Glass Transition và hệ thống được thiết kế, vận hành đúng.

Với các cơ sở Cell Therapy, Biobank, IVF hay Gene Therapy, quyết định nên dựa trên đánh giá rủi ro, loại mẫu, quy trình chuyên môn, yêu cầu quản lý chất lượng và tổng chi phí sở hữu (TCO) — thay vì chỉ dựa vào một tiêu chí đơn lẻ. Quan trọng hơn cả việc chọn Vapor hay Liquid là xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh: thiết bị chất lượng cao, giám sát liên tục, SOP chuẩn hóa, chương trình bảo trì định kỳ và đội ngũ vận hành được đào tạo bài bản.

Câu hỏi thường gặp

Bạn đang phân vân giữa pha hơi (Vapor Phase) và pha lỏng (Liquid Phase) cho dự án Cell Therapy, Biobank hoặc IVF?

Biogroup Vietnam hỗ trợ khách hàng từ khảo sát nhu cầu, đánh giá rủi ro, lựa chọn cấu hình phù hợp đến triển khai hệ thống Cryogenic Storage hoàn chỉnh — bao gồm bình lưu trữ, hệ thống giám sát, quản lý mẫu, đào tạo vận hành và dịch vụ kỹ thuật thiết bị.

📩 Liên hệ Biogroup Vietnam

Website: https://biogroupvietnam.com/vi/lien-he/
Hotline: +84 963 621 421
Email: info@biogroupvietnam.com

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Tedder RS, Zuckerman MA, Goldstone AH, et al. Hepatitis B transmission from contaminated cryopreservation tank. The Lancet. 1995;346:137-140. PubMed
2. Marin C, Garcia-Dominguez X, Montoro-Dasi L, et al. Experimental Evidence Reveals Both Cross-Infection and Cross-Contamination Risk of Embryo Storage in Liquid Nitrogen Biobanks. Animals. 2020;10(4):598 (thử nghiệm trên dewar MVE SC11/7). PMC – NCBI
3. Glass transition temperature và ngưỡng an toàn cho cryopreservation. Air Products
4. Nhiệt độ lưu trữ -196°C, ngưỡng Glass Transition ~-135°C, và so sánh LN2 với mechanical freezer trong biobanking (bài viết, 2014 — thông số vật lý được trích không đổi theo thời gian). Inside Biobanking, Thermo Fisher
5. Nhiệt độ vận hành Liquid Phase (-196°C) và Vapor Phase (-180°C đến -190°C) trong bình cryogenic. Consarctic
6. ISO 20387:2018 — Biotechnology — Biobanking — General requirements for biobanking. ISO
7. Bộ điều khiển giám sát TEC3000 trên dòng MVE CryoSystem — theo dõi liên tục nhiệt độ/mức LN₂, tự động châm bình, dải nhiệt độ ổn định tới -190°C. MVE Biological Solutions

Bài viết mang tính chất tham khảo kỹ thuật, không thay thế đánh giá rủi ro nội bộ hoặc tư vấn quy định của từng cơ sở. Các thông số nhiệt độ và tiêu chuẩn được trích dẫn có thể thay đổi theo model thiết bị cụ thể — vui lòng đối chiếu với tài liệu kỹ thuật (IFU) của nhà sản xuất trước khi áp dụng.