疫苗冷却--冷链运输对确保安全提供治疗有多重要？
主题摘要：
COVID-19 对疫苗储存和运输有何影响？
COVID-19 大流行大大加快了冷链储存和配送领域的发展，并揭示了药品和疫苗冷链的许多方面，表明超低温储存对疫苗生产和配送至关重要。
疫苗的工作原理和 mRNA 疫苗是什么
疫苗可以预防感染，让人体做好准备对抗潜在的外来入侵者，如细菌或病毒。将无害的病原体片段引入体内可触发免疫作用。大多数疫苗都含有弱化或死亡的细菌或病毒。不过，科学家已经开发出一种新型疫苗：这种疫苗使用一种叫做信使核糖核酸（简称 mRNA）的分子，而不是真正细菌或病毒的一部分。这些疫苗通过引入病毒外膜上的一段病毒蛋白质（mRNA）来发挥作用。疫苗中的 mRNA 不会进入细胞核，也不会改变 DNA。
mRNA 疫苗的潜力
几十年来，科学家们一直在使用 mRNA 进行实验，但大流行病将这一平台推向了风口浪尖。现在，研究人员正在探索 mRNA 平台的数十种新可能性。
抗击 COVID-19 并不是 mRNA 唯一大有可为的领域。几年来，针对某些癌症（包括黑色素瘤和胃肠癌）的 mRNA 疫苗研究一直在进行。此外，针对囊性纤维化等其他病症的 mRNA 治疗研究也在进行中。
COVID-19 的 mRNA 疫苗
COVID-19 疫苗的一个特点是在运输和储存时需要温度控制。根据制造商的要求，有些疫苗需要在保持零下 30 度的稳定环境中储存，有些甚至需要保持在零下 60 度到零下 80 度的稳定环境中储存，即所谓的超低温。这种温度范围是 COVID-19 mRNA 疫苗的特点。而对于大多数标准疫苗来说，储存和运输的适宜温度范围是 +2°C 至 +8°C。
mRNA 疫苗的冷链问题
mRNA 疫苗的开发工作正在进行中，需要开发从生产到分销再到医疗点注射的超低温疫苗处理方法，以迅速弥补 COVID-19 大流行期间出现的冷链各个环节的漏洞。
此外，超低温储存系统消耗大量能源，因此需要对储存系统进行升级，以降低能耗。然而，运输系统也需要提供可靠的绿色系统，既不浪费成吨的二氧化碳，又不会面临丢失珍贵药瓶的风险。因此，高效、绿色、可靠、易于维护的超低温储存和运输设计是医疗冷链超低温部分发展过程中的一项挑战。
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图 1：一小瓶 mRNA 疫苗，Spencerbdavis, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons
疫苗运输中的温度控制为何如此重要？
正如前文所述，温度控制是运输和交付过程中的一个重要环节，因为这类疫苗需要稳定和超低的温度。在疫情大流行的危机时期，疫苗生产商设计了一些解决方案，例如用于运输和储存的可重复使用包装。这些包装可保持温度 10 天，可储存 1 000 至 5 000 剂疫苗。但如果我们看看农村或郊区，当地实验室和医院一般都没有适当的冷冻库和基础设施，即使 COVID-19 危机已经得到遏制，挑战依然存在。
冷链中 "主动 "冷却与 "被动 "冷却的区别
为了更好地理解过去几年的改进，有必要将被称为 "主动 "冷却的技术解决方案与之前的 "被动 "冷却箱进行比较。
被动冷却
被动冷却（图 2）是最常见的技术，简单地说就是在疫苗瓶容器周围放置干冰，以保持适当的温度。这种解决方案的优点是不需要电力，因此，这些箱子可以克服重重困难，到达所谓的 "最后一英里"，将疫苗运送到没有公路等基础设施的国家的农村地区：在一些国家，疫苗是用驴子运送的。但这种方法有很多局限性和风险：
- 由于大量冷冻干冰（CO2）会不断蒸发到大气中，因此并不环保；
- 温度稳定性有限，因为对温度的控制能力很低。打开盒子后，温度只会下降；
- 打开时间有限是另一个限制：时间约为 1 分钟，每天最多打开两次；
- 持续时间也有限，最长不超过 10 天；
- 干冰主要在工业化国家供应；
- 由于经常需要重新填充干冰，生产干冰的能源成本很高，而且聚苯乙烯/纸箱干冰盒的可重复使用性有限，因此从长远来看，拥有干冰的总成本很高；
此外，从基础设施和运输方面考虑，疫苗供应充足的国家非常少：25 个国家，约 25 亿人口，占地球总人口的 30%。
主动冷却
主动冷却解决方案之所以被定义为主动冷却解决方案，是因为它们能够通过技术改进将温度保持在所需水平（图 3）：带有压缩机的冷凝装置和温度记录仪可以控制箱内的温度。
主动冷却解决方案包括电冰箱和离网冰箱。电冰箱利用压缩机提高气体制冷剂的压力。离网冰箱则主要包括两类：吸收式冰箱系统和太阳能冰箱。第一种是通过热激活热循环运行，与周围环境交换热能。它通常在低于大气压的压力下运行，由工作流体（如石油气或煤油）的蒸汽压调节。相比之下，太阳能冰箱采用的是电动压缩机，可以由储存太阳能电池板产生的能量的电池供电，也可以直接由太阳能电池板本身供电。
结论
因此，疫苗必须在有限的温度范围内储存；从生产到接种疫苗的整个过程都是如此。这是因为温度过高或过低都会导致疫苗失去效力，换句话说就是失去预防疾病的能力。疫苗一旦失去效力，就无法恢复或复原。
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图 2：装有干冰的包裹和有效载荷箱内侧（被动冷却），CC BY 4.0，通过 Springer Nature Limited 提供 -
图 3：ULT 冷却箱（主动冷却）上 -80° 的温度传感器
疫苗储存和运输：医疗冷链
疫苗作为冷藏货物从生产商乘飞机运往使用国家。到达目的地后，疫苗被储存在冷藏室中，然后由冷藏车运送到地区和次地区冷藏设施。从储存设施到村庄一级，疫苗被装在冷藏箱和疫苗运输车中，通过汽车、摩托车、自行车甚至步行运送到偏远村庄进行免疫接种。
mRNA 疫苗冷链要求
冷藏室、冰箱、冰柜、冷藏箱和疫苗运输车等储存和运输设备必须符合世界卫生组织 (WHO) 规定的性能标准。
新的 mRNA 疫苗需要在极低的温度下运输和储存，这就要求冷冻箱能够处理 -80°C 的温度。
mRNA 疫苗冷链的限制因素
并不是每个临床试验机构都有这种冷冻机。因此，必须开发供应链来克服物流方面的挑战，冷链运输基础设施必须强大，以建立可靠、安全的医疗保健供应链。这就意味着要有端到端的解决方案，用于在特定温度下从生产地到使用地的医疗机构进行储存和运输。冷链存储设施必须具备温度控制和监控系统，以保护运输前后的货物，包括低至零下 80 摄氏度的货物。在运输过程中，高性能便携式设备必须保证达到制造商规定的温度要求。
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图 4：从生产商到医疗中心的冷链和疫苗储存
温度监控系统和控制的重要性
如上文所述，运输过程中的温度是保证药瓶安全运输这一目标成功实现的关键因素。然而，如何控制和保证温度呢？
用于运输药瓶的医疗设备制造商会在出厂时直接在设备上安装温度记录仪。数据记录器用于监控各类敏感产品的运输。根据型号的不同，它们可以记录温度、湿度、冲击、振动或倾斜角度等各种参数。一般来说，它们具有实时监控、开盖、GPS 定位和通过邮件或短信发送报警信息等特定功能，以确保在运输过程中持续进行控制。
疫苗冷却：固定和移动设备
冷却解决方案、冷冻箱和冷藏箱可分为两大类：一类是用于固定储存的设备，如实验室和医院中的立式冷冻箱和冷藏箱；另一类是用于运输的设备，如运输箱。用于标准冷却（+2 至 +8°C）的设备，也可与太阳能电池板连接，无需使用电池和调节器。
超低温固定制冷
在固定制冷领域，有一些超低温冷冻箱可以储存疫苗、组织和人体细胞等（图 5）。温度范围在 -20°C 至 -80°C 之间。为了满足能源优化的超低温冷冻系统的要求，我们利用多年来在压缩机电子控制方面的研发和创新成果，开发了一系列特定的压缩机，这些压缩机采用了新一代的电子控制技术，可以实现更低的能源消耗，并保证稳定可靠的冷却温度，同时还配备了加强系统监控能力各种附加配件。就适用的思科普产品而言，用于 ULT 冷冻机的顶级型号是NLV12.6CN和SLVE18CN压缩机。
超低温移动制冷
运输箱可分为主动式和被动式两种。被动箱不会主动冷却箱体，但一些干冰箱可将温度保持在较低水平，而且还有一些其他限制：由于运输稳定性有限，造成疫苗浪费的风险很高，而且干冰主要在工业化国家供应，这些国家不需要这种解决方案。此外，在需要干冰解决方案的偏远地区也不容易找到干冰。由于技术的改进，现在市场上出现了一些积极的解决方案（图 6）。思科普开发了特殊的 ULT 级联冷凝机组，在能耗和冷却控制方面性能卓越，并对系统的可靠性给予了最大关注。
用于疫苗储存和运输的思科普解决方案
正如预期的那样，新的解决方案既适用于储存，也适用于运输：在超低压级中采用 2 级压缩机级联，配备 MN13UVULTM 或 MS18UVULTM 医用级变速交流压缩机，用于储存；在超低压级中采用专为医疗移动应用设计的 MP2UVULTM 直流压缩机级联，用于移动应用。随着用于疫苗主动运输的同类最佳创新型移动冷凝机组的开发，我们推出了一种可主动控制疫苗温度直至最后一英里的解决方案。即使在恶劣的环境条件下，该解决方案也能提高运输可靠性并减少碳足迹，从而替代被动箱。
这些新技术帮助我们的合作伙伴设计出新一代箱体，以弥补疫苗配送超低温链中的不足。
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图 5：固定式超低温冷却系统 -
图 6：移动式 ULT 级联冷却箱
疫苗冷链面临的挑战
将疫苗运送到世界各地是一项复杂的任务。需要在温度可控的环境中通过一系列精确协调的活动来储存、管理和运输这些拯救生命的产品。这就是冷链。新冠疫情大流行暴露了当前配送网络中的各种漏洞，表明有必要进一步发展医疗冷链基础设施，消除制约因素，以建立一个在新兴国家也能提供服务的超低温储存和配送网络。从 COVID-19 疫苗的生产和配送中吸取的经验教训必须重新应用于其他病毒的治疗。物流服务供应商正在迅速转型，以跟上科学突破的步伐，并确保安全交付这些治病救人的新疫苗。
疫苗交付：冷链中的不平等现象
在 COVID-19 大流行结束时，我们目睹了疫苗供应方面的不同现实：富裕国家的人口接种了大量疫苗，而贫穷国家获得新疫苗的机会和接种目标远远低于可接受的水平。疫苗生产商每月可生产十亿剂疫苗，足以确保实现所有目标，但前提是保证公平分配。考虑到 mRNA 疫苗的脆弱性，要保证这一目标，必须解决低收入地区超低温冷链运输成熟度低的问题。在未来，有必要重新构想端到端冷链的制药和医疗保健供应链生态系统。在运输基础设施存在重大差距的欠发达国家，运送疫苗可能具有挑战性。
疫苗运送：确保疫苗供应的障碍
我们都知道 COVID-19 带来了历史上最大规模的疫苗接种活动。然而，疫苗的供应并不均衡，而且偏向于较发达的国家。然而，最大的障碍之一仍然是当地方和区域的冷链的条件限制，尤其是长期缺乏超低温储存条件的地区。要建立所需的基础设施，填补有关国家冷链的空白，就必须利用现有的最佳技术。这不仅能确保城市地区的疫苗供应，还能确保远离现有医疗中心的农村社区的疫苗供应。因此，对超低温储存解决方案的需求达到了前所未有的高度，随着疫苗交付计划的继续推进，必须逐步克服每一个障碍。
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图 7：采用移动冷却解决方案的最后一英里疫苗输送（B 医疗系统公司） -
图 8：农村地区的疫苗接种
超低温冷冻技术面临的挑战
超低温冷冻箱可在低至 -86 °C 的温度下储存物品。超低温冷冻机对于医学研究机构、实验室、医院以及任何需要安全存储珍贵样本的场景中关键材料存储至关重要。整个冷链基础设施还需要一个温控供应链，利用设备和物流来存储、运输和分发产品，以防止对温度敏感的材料和样本降解。近年来，在抗击 COVID-19 大流行的疫苗接种活动引发的全球健康危机中，冷链被广泛使用（图 9）。
停电可能导致整批疫苗失效
虽然停电发生在家里会让人烦躁，但对于医学研究来说，这会带来更严重的影响。冷冻机的可靠性是确保珍贵物品安全储存的基础。为了弥补超低温医疗冷链存储和配送方面的不足，需要新一代设备来提高可靠性、降低能耗、引入绿色制冷剂并减少碳足迹。
在超低温冷链中保持低能耗的重要性
对 mRNA 疗法的关注要求在生产的各个步骤中使用超低温冷冻机，包括小型诊所，这就要求超低温冷冻机能够适应更小的空间。
由于制冷需要消耗大量能源，冷链开发需求的增加可能会导致耗电量增加。由于需要保持稳定的低温，超低温冷冻机需要消耗大量电能。在医院和实验室，超低温冷冻机被认为是能源消耗的主要来源之一。因此，终端用户需要仔细考虑超低温冷冻机的能耗。超低冷冻机旨在满足能源之星和能源标签的要求，未来的产品在能耗方面将更加透明。
变速技术和天然制冷剂可为疫苗冷链提供支持
为了满足医疗设备降低能耗和提高效率的需求，制造商正在采用变速压缩机等新的解决方案。除了降低能耗外，这项技术还能带来一些额外的好处，包括降低噪音，以及由于减少了对系统部件的压力而提高了产品寿命。通过降低能耗，这些系统还能减少热量散发，从而降低安装区域的空调成本。
与此同时，随着与全球变暖有关的氢氟碳化物（HFC）制冷剂的逐步淘汰，冷库的监管环境也在不断变化。乙烷和丙烷等天然制冷剂碳氢化合物使得性能更好的可持续产品得以采用。
当然，可持续性需要与产品性能相平衡。市场必须转向使用更具可持续性的制冷剂，并提高效率，以进一步降低能耗。不过，这些趋势必须仔细考虑，以免降低产品的性能和快速恢复温度的能力。
超低温冷冻机：产品可靠性是基础
对于医疗冷链中的超低温冷冻机来说，关键的挑战在于评估可靠性。当超低温冷冻机发生故障时，其后果不仅限于维修或更换。在许多情况下，冷冻箱必须重新进行生物医学用途验证，产品必须转移到另一个地方。这些冷冻箱中的内容物非常珍贵，任何故障都会在时间、金钱和研究方面造成严重影响。产品的可靠性至关重要。
如今的超低温冷冻箱都配备了监控系统，可在发生意外情况时确保箱内物品的安全。
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图 9：运输偏远地区疫苗的颜色为橙色和红色，资料来源：DHL 集团，《2020 年 9 月大流行病应变能力白皮书》：资料来源：DHL 集团，白皮书 "Delivering Pandemic Resilience"，2020 年 9 月。
思科普对 ULT 冷链发展的贡献
超低温冷冻机最大的问题是样品安全。到目前为止，压缩机故障是超低温冷冻机最常见的安全问题，这也是冷冻机故障的可能来源之一。因此，超低温冷凝机组及其压缩机对支持超低温冷链发展起着至关重要的作用。必须保证稳定的性能、较低的能耗、绿色制冷剂转换的优化以及整体最高的可靠性。
思科普为冷链服务的经验
思科普将目光投向冷冻室内部，确保冷冻室的核心部件--压缩机采用创新技术设计，以保证性能、效率和可靠性。为了支持新型超低温医疗冷链的发展，我们利用数十年的医疗制冷改进经验，并与全球主要医疗柜设计领导者合作，为新一代超低储存装置开发了各种解决方案。
为了支持超低温储存系统向绿色制冷剂的转换，我们利用在碳氢化合物绿色制冷剂方面的核心知识，引进并优化了 R290 和 R170 绿色制冷剂的使用，推出了一系列可支持医疗系统快速转换为低全球升温潜能值制冷剂的产品。
思科普为超低温冷链提供创新的冷却解决方案
为了满足优化超低温冷藏系统能耗的要求，我们利用多年来在压缩机电子控制方面的研发和创新成果，开发了一系列配备新一代控制电子装置的特定压缩机。该系列压缩机不仅能优化能耗，还能保证稳定可靠的冷却温度，并具有适合加强系统监控的各种附加功能。用于 ULT 冷冻机的顶级型号是 NLV12.6CN 和 SLVE18CN 压缩机。在移动式主动冷却方面，如前文所述，思科普已开发出超低温冷却系统技术。该系统即使在热带地区等极端环境条件下也能移动运行，优化和解决了新一代疫苗配送的最后一英里难题。该专用冷凝机组采用了压缩机级联解决方案，包括MP2UVULTM（低级）和 BD100CN（高级）压缩机，并结合了思科普在医疗应用、疫苗太阳能冷冻箱和移动解决方案方面的经验。与现有的被动冷却（干冰）运输箱相比，用于 mRNA 疫苗的电池驱动主动冷却系统具有许多优势。包括：
主动系统可提供温度控制，不需要大量干冰，可重复使用，不会浪费数吨干冰，并且可防止疫苗浪费。它们适用于任何配送点，包括无法保证干冰供应或环境条件过于恶劣的偏远地区。
优点
- 基于 2 级速度可控压缩机级联系统的安全主动式全自动移动解决方案，温度范围灵活，从 -20°C 到 -86°C 不等，即使在热带环境条件下（43°C）也是如此。
- 基于 mRNA 的 COVID-19 和埃博拉疫苗以及 CGT 标本独立于电源电压运输和储存的理想解决方案。
- 使用全球升温潜能值（GWP）低的绿色碳氢化合物制冷剂，能耗低，制冷时间短。
- 可靠、精确的温度设置和控制，降低温度敏感标本和疫苗的浪费风险。
- 系统持久可靠，总体拥有成本（TCO）低，寿命周期长。
- 专为全球交流/直流电压范围设计，并针对低电网地区进行了优化。
- 通过 Tool4Cool® 软件可轻松定制 °CCD® 控制器。
在本页顶部，您可以观看视频，更好地了解该冷却解决方案。
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图 10：Secop ULT 冷凝设备（侧视图） -
图 11：Secop ULT 冷凝设备（俯视图）
建议
世界卫生组织（WHO）在全球疫苗冷链培训视频中演示了如何以正确的方式购买、安装和管理疫苗冷链设备。这是针对需要在 +2°C 至 +8°C 的温度范围内储存和运输的标准疫苗，适合大多数标准疫苗。
而对温度敏感的疫苗，如新型 mRNA 疫苗，储存和运输的温度范围则有所不同：低于 -70°C，标准设定值约为 -86°，以确保疫苗针剂的长期有效性。视频中的所有其他信息也完全适用于医疗/疫苗超低温冷链。在世界卫生组织（WHO）最近发布的 PQS（性能/质量/安全）目录中，可以找到首批 ULT/超低温设备（第 208 页），随后还会继续更新。