DE102008048709A1

DE102008048709A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Temperierung von Gewebeteilen

Info

Publication number: DE102008048709A1
Application number: DE102008048709A
Authority: DE
Inventors: Joachim Quinger; Edith Klingner; Gabriele Dr. Spörl
Original assignee: INGBUERO und PLASTVERARBEITUNG; Ingenieurbuero und Plastverarbeitung Quinger GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: INGBUERO und PLASTVERARBEITUNG; Ingenieurbuero und Plastverarbeitung Quinger GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: DE102008048709B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperierung von Gewebeteilen. Es ist die Aufgabe gestellt, Gewebeteile patientenbezogen zu kryokonservieren, zu lagern und schonend aufzutauen. Die Aufgabe wird gelöst durch besondere Temperaturregimes beim Einfrieren und Auftauen, die in einer angegebenen Vorrichtung realisiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kryokonservieren und Wiedererwärmen von Zellen, Gewebeteilen und anderem animalen oder humanen Materialien, die bevorzugt in der Transplantationschirurgie eingesetzt werden sollen.
Es ist bereits bekannt, Zellen und Gewebeteile einzufrieren und nach mehr oder weniger langer Lagerzeit aufzutauen und zu verwenden. Diese Kryokonservierung von Geweben, künstlichen Geweben und Gewebeteilen erfolgt im wesentlichen mit analogen Schritten wie die Kryokonservierung von suspendierten Zellen.
Diese Schritte beinhalten das Einbringen des Gewebeteils in ein für die Konservierung geeignetes Behältnis sofern es nicht in diesem gezüchtet wurde. Für die Konservierung ist ein Kryomedium zuzusetzen, das die Bildung von Eiskristallen in den Zellen, in den extrazellulären Zwischenräumen und in der Umgebung des Gewebeteiles begrenzt, um mechanische Spannungen zu minimieren. Gleichzeitig soll das gewählte Kryomedium eine Entmischung gelöster Substanzen wie Zucker, Salze oder organische Säuren im Medium, im Zellinneren und in den extrazellulären Räumen weitgehend verhindern, um osmotischen Schädigungen vorzubeugen.
Nach definierter Zugabe des Kryomediums, die je nach Gewebeart und Medium sowohl bei der physiologischen Temperatur über 30°C als auch bei reduzierten Temperaturen bis etwa 4°C erfolgen kann, beginnt das eigentliche Temperaturprotokoll für die Abkühlung in den kalten bzw. tiefkalten Bereich. Tempe-raturen unter –40°C sind zwingend, um den Kristallisationspunkt gängiger Kryo-medien zu unterschreiten. Je nach angestrebter Lagerdauer sind tiefere Tempera-turen jedoch im allgemeinen üblich, die von den gängigen –80°C in handelsüblichen Freezern bis zur Lagerung im Kaltgas über flüssigem Stickstoff bzw. direkt im flüssi-gen Stickstoff bei oder kurz über –196°C reichen. Es bleibt jedoch festzuhalten, dass der Temperaturbereich zwischen etwa 4°C und –40°C der kritische Bereich ist, in dem die primäre und gegebenenfalls spontane Eisbildung Schädigungen an den Zellen, der Zellfeinstruktur oder am Gewebe hervorrufen kann.
Stellen die hier beschriebenen Schritte schon bei frei suspendierten Zellen hohe Anforderungen an Durchführung, Steuerung und Überwachung an Personal, Medien und technische Mittel, so erhöht sich dieser Aufwand beträchtlich bei der Konservierung von Gewebeteilen. Denn anders als im Fall der frei suspendierten Zellen wird hier nicht nur eine übliche Rate von Vitalität und Proliferationsfähigkeit von 70 Prozent und mehr aller Zellen angestrebt. Es muss zusätzlich verhindert werden, dass Areale innerhalb des Gewebeteiles komplett geschädigt werden sowohl hinsichtlich der Integrität und Stabilität des Gewebeareals als auch hinsichtlich der eingebetteten Zellen.
Ist erst einmal eine Temperatur unter –40°C erreicht, erfordert das Protokoll weitere Sorgfalt, um in Temperaturbereichen einer Umkristallisation in andere Eisstrukturen sekundäre Schädigungen zu vermeiden. Dies ist jedoch meist nicht so kritisch wie die primäre Eisbildung und kann durch geeignete Haltezeiten und unterschiedliche Abkühlraten verhindert werden.
Die Lagerung von Gewebeteilen und frei suspendierten Zellen bei kalten oder tiefkalten Temperaturen unterscheidet sich nach bisherigen Kenntnissen nicht voneinander und ist Stand der Technik.
Soll das kryokonservierte Gewebe bzw. Gewebeteil wieder erwärmt werden, müssen erneut kritische Bereiche dabei durchfahren werden. Zwischen der gewählten Lagertemperatur und etwa –40°C ist die Situation vergleichbar mit derjenigen bei der Abkühlung. Die weitere Erwärmung beim Durchgang durch den Kristallisationsbereich erfordert eine sehr schnelle Heizrate, da sonst die in der Kühlkurve vermiedene Bildung von großen Eiskristallen temporär stattfindet. Hier ist zu beachten, dass dieses sehr schnelle Durchlaufen dieses kritischen Temperaturbereiches nicht nur für einen kleinen räumlichen Bereich des zur Konservierung eingesetzten Behältnisses gilt, sondern möglichst für die gesamte räumliche Ausdehnung des Gewebes oder Gewebeteiles erfolgen muss. Im Unterschied zu frei suspendierten Zellen, die durch ihre verschwindend geringe räumliche Größe im Vergleich zu Geweben nur während der in unmittelbarer Nähe befindlichen Eisfront belastet werden, ist dieser Bereich beim Gewebe entscheidend größer und begründet die bis heute fortdauernden Schwierigkeiten bei der Kryokonservierung von Gewebeteilen, Geweben oder sogar Organen.
In der Abkühlkurve kann man sich noch durch sogenanntes seeding helfen, um die entstehende Kristallisationswärme sehr schnell zu kompensieren und ein ruckartiges Durchlaufen der Eisfront zu erreichen. Dabei erfolgt die schnelle Temperaturerniedrigung durch Zugabe von tiefsiedenden Flüssigkeiten an einem Temperaturpunkt kurz oberhalb der Kristallisationstemperatur. Es entstehen sehr kleine Eiskristallite oder im Idealfall eine amorphe Struktur der eingefrorenen biologischen Struktur einschließlich des umgebenden Kryomediums.
In der Erwärmung muss nun umgekehrt eine sehr schnelle Zuführung von Wärme erfolgen, die die notwendige Schmelzwärme bereitstellt, um den Kristallisationspunkt wiederum sehr schnell zu durchlaufen. Dieser Teil der Kryoprozedur ist insofern schwierig, als die notwendige Wärmemenge einerseits sehr schnell eingetragen werden, andererseits ein Überschießen der Temperatur über den physiologischen Bereich selbst an lokalen Punkten mit Sicherheit vermieden werden muss.
Stand der Technik für die Erwärmung insbesondere von suspendierten Zellen ist das Einbringen des Präparates in eine meist flüssige Umgebung, die bezüglich der Temperatur in oder leicht unterhalb des physiologischen Bereiches liegt, wobei die biologische Komponente einschließlich des umgebenden Kryomediums einem dichten Containment untergebracht sind. Bei dieser Vorgehensweise beschränken Wärmeleitung und Wärmeübergang in und durch die einzelnen Schichten des Containments sowie der aktuelle Temperaturgradient zwischen temporärer Ist-Temperatur und gewählter Endtemperatur die transportierbare Wärmemenge unabänderlich. Die erfolgreiche Erwärmung kryokonservierter biologischer Komponenten gelingt damit nur für so dimensionierte Präparate, bei denen die lokal benötigte Schmelzenergie trotz des limitierten Transportes aufgebracht werden kann. Beispiel hierfür ist stellvertretend das Patent JP 2002253206 .
Für die schnelle Erwärmung mit Temperaturraten über 30 K/min werden in Literatur und Patentliteratur eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen, die die beschriebenen Nachteile überwinden sollen. Eine der weitest verbreiteten Herangehensweisen ist die direkte oder indirekte Heizung über ein eingestrahltes Feld. Als Beispiel sei US 5,374,811 zitiert, wobei Blut oder Gewebe enthaltende Container auf einem Stack innerhalb des mit Mikrowellen oder Radiowellen bestrahlbaren Ofens gelagert werden und von konditionierter Luft umflossen werden. Hier ist anzumerken, dass sowohl Mikrowellen als auch Radiowellen anderer Wellenlängen kaum so homogene Feldstärken erzeugen, dass mit einer homogenen Erwärmung der Präparate gerechnet werden kann. Erschwerend kommt noch die zusätzliche ungleiche Verteilung des lokalen Strahlungsfeldes an Einbauten und Präparaten hinzu. Dieser Nachteil wird auch bei leichter Erhöhung der Temperatur des zur Aufwärmung eingesetzten Mediums über die physiologische Temperatur, wie etwa im Patent JP 10179149 beschrieben, nicht prinzipiell überwunden.
Diese Nachteile versucht das US-Patent 6,065,294 zu überwinden, indem die in Containern befindlichen suspendierten Zellen in eine Kassette eingebracht werden, die ihrerseits in einen heizbaren Block eingebracht wird, der in einem thermisch isolierten Behälter platziert wird, welcher definierte Kältemittel in flüssiger und dampfförmiger Form enthält. Besonders von Vorteil gegenüber dem Vorgehen durch Aufwärmung in flüssigen Medien ist die Etablierung von Wärmeübergangsflächen zwischen einem oder mehreren Containern mit den biologischen Komponenten und der zugehörigen Kassette. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines thermischen Blocks, der elektrisch geheizt und durch Temperaturfühler gesteuert wird, wird in diesem eine gegenüber der relevanten Wärmekapazität von Kassette einschließlich Containern hohe Wärmekapazität im thermischen Block installiert, wodurch der besagte thermische Block entweder auch nur auf die gewählte Endtemperatur eingestellt werden kann ohne die Gefahr des Überschwingens zu provozieren.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Kryokonservieren und Wiedererwärmen von Zellen und Gewebeteilen haben eine Reihe von Nachteilen, die insbesondere für den Fall der Gewebeteile gravierend sind. So gelingt es nicht in zuverlässiger Weise, im Temperaturbereich zwischen 4°C und –40°C eine Schädigung der Gewebeteile zu verhindern. Das ist bedingt durch eine spontane Eisbildung, welche die Vitalitätsrate der Gewebeteile deutlich mindert.
Beim Erwärmen der kryokonservierten Gewebeteile gelingt es nicht ausreichend, die lokal benötigte Schmelzenergie einzutragen, ohne ein Überschwingen zu provozie ren. Grund dafür ist die beschränkte Wärmeleitung und der Wärmeübergang durch die einzelnen Schichten des Containers, der die Gewebeteile enthält.
Bei Geweben und gewebeähnlichen Teilen wie z. B. Tissue-Konstrukten wird bei der Kryokonservierung in den meisten Fällen die Gewebeintegrität beeinträchtigt und ein erheblicher Anteil der im Gewebe eingebetteten Zellen zerstört. Einige Gründe dafür sind einerseits die mechanischen Spannungen, die beim Durchlaufen des Eispunktes sowohl bei Abkühlung als auch Erwärmung auf den Gewebeverbund ausgeübt werden, andererseits der langsame und schlechte Austausch von Flüssigkeit in den extrazellulären Zwischenräumen. Damit steigt die Gefahr der Bildung größerer Eiskristalle in den extrazellulären Zwischenräumen, da die Konzentration an kryoprotektiven Komponenten dort nicht oder nicht schnell genug erreicht werden kann. Die Wirksamkeit kryoprotektiver Komponenten in den Medien wird damit potentiell eingeschränkt und kann gegebenenfalls durch Entmischung entstehende osmotische Schädigungen nicht oder nicht vollständig verhindern. So konservierte Gewebeteile enthalten nach Wiedererwärmung zwar immer noch vitale Zellen, eine Applikation am Patienten ohne weitere Züchtung ist aber im Allgemeinen nicht möglich.
Eine breite Anwendung von modernen Methoden der regenerativen Medizin wie z. B. die Implantation von Tissue Engineering Konstrukten aus autologen humanen Zellen erfordert eine logistische und medizinkonforme Kette zwischen Biopsie, der nachfolgenden Kultivierung daraus gewonnener Zellen, der anschließenden Kultivierung der Gewebe(oder Tissue)-Konstrukte und der abschließenden Implantation derselben am Patienten. Je nach verwendetem Zelltyp haben die gezüchteten Gewebe-Produkte ein Zeitfenster zwischen zwei bis fünf Tagen, in denen sie optimal implantiert werden können. Sowohl diese kurze Zeit als auch die Tatsache, dass körpereigene Zellen im Unterschied zu Zelllinien nur wenige Male passagiert werden können, begründen den Wunsch, die fertig kultivierten Tissue-Konstrukte im optimalen Zustand zu konservieren. Ein konserviertes Konstrukt könnte dann bis zur Implantation gelagert werden, wodurch die zwingende zeitliche Abfolge zwischen Gewebezucht und Implantation entkoppelt wird.
Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Kryokonservierung und Entkonservierung von Gewebeteilen und künstlich hergestellten Ge weben vorzuschlagen, welche mittels der Konservierung bis zur Anwendung bzw. Implantation gelagert werden können. Die Entkonservierung soll zeitlich und räumlich nah zum Ort der Anwendung bzw. Implantation erfolgen. Nach Entkonservierung soll das kryogelagerte Gewebe, ohne nochmalige Kultivierung in einem spezialisierten Labor, transplantationsfähig sein. Alle Gewebeteile oder künstlich hergestellten Gewebeteile, die für einen Patienten bestimmt sind oder von einem Patienten stammen, sollen in Behältnisse eingebracht, mit den notwenigen Medien versorgt und durch die besagte Vorrichtung vereint den einzelnen Schritten der Konservierung, Lagerung und Entkonservierung simultan unterzogen werden können
Die Aufgabe wird durch die Kryokonservierung der fertigen Tissue-Konstrukte einschließlich der tiefkalten Lagerung derselben sowie des Wiederauftauens in unmittelbarer Nähe zum Operationsort gelöst. Der Transport der kryokonservierten Konstrukte im tiefkalten Zustand schont die Konstrukte auf der Transportstrecke und entkoppelt Implantation und Konstruktherstellung damit nicht nur zeitlich sondern auch räumlich fast vollständig.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe weiterhin dergestalt gelöst, dass eine Vorrichtung geschaffen wird, welche die definierte Durchführung eines anspruchsvollen Kryoprotokolls für die Abkühlung und die definierte Wiedererwärmung für mehrere patientenspezifische Konstrukte gleichzeitig und in derselben Vorrichtung ermöglicht. Damit werden alle für einen Patienten bestimmten Gewebeteile bzw. Tissue-Konstrukte in der gleichen Weise behandelt. Durch Wahl einer optimalen Größe für die Gewebeteile und einer optimalen Menge für die umgebenden kryoprotektiven Flüssigkeiten kann der Energietransport bei Abkühlung und Erwärmung so dimensioniert werden, dass durch Eisbildung bedingte mechanische Spannungen, Entmischungseffekte von osmotisch wirksamen Komponenten während der Abkühlung und Rekristallisation während der Erwärmung vermieden werden. Dies verbessert die Integrität und Vitalität der Gewebeteile und der das Gewebe bildenden Zellen in entscheidendem Maße. Nach Kryokonservierung ist keine weitere Kultivierung vor der Implantation notwendig. Damit wird gegenüber dem gegenwärtigen technischen Stand eine neue Qualität erreicht.
Durch die gleichzeitige und in gleicher Weise erfolgende Behandlung von dem Behältnis (bspw. DOSE) angepassten bzw. optimal großen Gewebestücken, die alle dem gleichen Patienten zuzuordnen sind, werden die beim Umgang und der Anwendung vom autologen Geweben erforderliche Sicherheit bzw. Qualitätssicherung gewährleistet.
Die hier vorliegende Erfindung überwindet auch die geschilderten Nachteile des Standes der Technik, indem einerseits das Konzept von definierten Verhältnissen für Wärmeleitung und Wärmeübergang konsequent verfolgt wird, andererseits die Vorrichtung für Abkühlung und Erwärmung jedoch schnelle und nahezu wärmekapazitätslose Zuführung von Kälte- und Wärmeenergie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht.
Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung enthält die Gewebe, Gewebeteile oder künstlich hergestellten Gewebeteile in Behälnissen 1. Diese können sowohl aus biologisch geeigneten und tieftemperaturbeständigen Kunststoffen oder auch aus medizinisch geeigneten Metallen wie (Edelstahl hoher Güte bestehen. Sie enthalten im allgemeinen neben den biologischen Komponenten einen bestimmten Anteil von Kryomedium sowie einen kleinen Kopfraum aus Gas, vorzugsweise aus mit Kohlendioxid angereicherter Luft. Um den Austritt von Kryoflüssigkeit beim Einfrieren zu vermeiden, was ein potentielles Kontaminationsrisiko darstellte, sind die Behältnisse 1 mittels entsprechender Dichtelemente 3 abgedichtet. Diese Dichtelemente 3 bestehen aus biologisch kompatiblen und elastischen Materialien, die zusätzlich kältebeständig sind, und wirken gleichzeitig federnd, um die durch die übrige Vorrichtung auf die Behältnisse 1 ausgeübten Kräfte aufzunehmen und die gegenüberliegenden Wärmeübergangsflächen 2 der Behältnisse 1 möglichst fest an die Wärmekontaktflächen 7 anzupressen. Die Wärmekontaktflächen 7 bestehen aus gut leitenden Metallen wie Silber oder Kupfer, sind eben, poliert und metallisch rein. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit, im Beispiel beschrieben, besteht in einer Belegung mit einem nicht oxidierenden blanken metallischen Überzug, wie etwa der Bedampfung mit Gold. Die Wärmekontaktflächen 7 stellen die ebene Front der Mittel zur Wärmeübertragung dar, die jeweils einen Innenhohlraum 5 besitzen, durch den über die Anschlüsse 6 Wärmeträger zu- und wieder abgeführt werden können.
Praktischerweise bestehen die Mittel zur Wärmeübertragung ebenfalls aus Metall und weisen eine gestaltete, vergrößerte innere Oberfläche auf um die Energieübertragung aus dem Wärmeträger in die Wärmekontaktflächen 7 zu vergrößern. Die Mittel zur Wärmeübertragung werden durch technische Komponenten wie etwa tieftemperaturbeständige Profilringe oder steife Federelemente aus Edelstahl zwischen den beiden biegesteifen Platten 9 der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingespannt, wobei die beiden Platten 9 durch Hilfsmittel 8 bspw. wie Federn, Exzenter oder gefederte Schraubverbindungen mit definierter Kraft zusammengepresst werden.
Es sind erfindungsgemäß verschiedene Anordnungen der Mittel zur Wärmeübertragung möglich. Es kann sowohl je Behältnis 1 jeweils ein Mittel zur Wärmeübertragung kopf- und bodenseitig vorgesehen werden. Ebenfalls möglich ist nur ein bodenseitiges Mittel zur Wärmeübertragung je Behältnis 1. Weiterhin können auch mehrere Behältnis 1 gleichzeitig kopf- und bodenseitig auf einem Mittel zur Wärmeübertragung eingespannt werden.
Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt nach folgendem Verfahren. Vor Beginn der Konservierung werden die Gewebe, Gewebeteile oder -konstrukte in die Behältnisse 1 überführt, soweit sie nicht darin erzeugt wurden. Gleichzeitig wird ein für die Zellarten/Gewebeteile geeignetes Kryomedium zugegeben, dass diese leicht überschichten soll und einen geringen gasförmigen Kopfraum im Behältnis 1 erhält. Werden für den jeweiligen Patienten mehrere Gewebe, Gewebeteile oder – konstrukte benötigt, werden entsprechend viele Behältnisse 1 gefüllt. Alle zu einem Patienten gehörenden Behältnisse 1 werden mit den Dichtungsmitteln 3 verschlossen und auf den Mitteln zur Wärmeübertragung platziert. Diese werden miteinander über die Zuführungen 6 verbunden, so dass ein Wärmeträgerstrom durch die Mittel zur Wärmeübertragung fließen kann. Hier ist sowohl eine Reihenschaltung der Mittel zur Wärmeübertragung möglich als auch eine Parallelschaltung derselben als auch eine kombinierte Verschaltung.
Nachdem alle zu einem Patienten gehörigen Behältnisse 1 aufgebracht sind, werden die entsprechenden Mittel zur Wärmeübertragung kopfseitig aufgebracht und mit einer Deckplatte abgeschlossen. Sobald alle Behältnisse 1 vollständig und parallel zwischen den oberen und unteren Mitteln sitzen, werden die technischen Mittel zur Kraftübertragung geschlossen und definierte Anpresskräfte eingestellt. In diesem geschlossenen Zustand verbleibt die gesamte Vorrichtung während Abkühlung, Lagerung, Transport und Wiedererwärmung.
Dadurch wird ein doppelter Vorteil erreicht. Einerseits werden die flächigen Kontakte zwischen den Wärmekontaktflächen 2 der Behältnisse 1 nicht gelöst, wodurch auch im kalten bzw. tiefkalten Zustand ein Auffrieren eines Eisfilms vermieden wird, andererseits werden alle zu einem Patienten gehörigen Behältnisse 1 einem einheitlichen Protokoll bei Abkühlung, Lagerung, Transport und Erwärmung unterzogen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in der Abkühlkurve mit unterschiedlichen Temperaturraten und Haltezeiten versehen werden. Dafür kann sie einerseits in handelsübliche Freezer eingesetzt werden, die nach dem Stand der Technik mit Kühlprotokollen programmiert werden können und diese selbsttätig organisieren, kontrollieren und dokumentieren. Sollen jedoch Kühlraten größer 10 K/min erreicht werden, ist eine Versorgung mit Kaltgas oder einem Gemisch aus Kaltgas und tiefsiedenden Flüssigkeiten zu dosieren und als Wärmeträgerstrom durch die Hohlräume 5 der Mittel zur Wärmeübertragung zu leiten. Die Dosierung des Wärmeträgerstromes kann durch gegebene technische Mittel wie kaltfeste Pumpen oder pneumatische Anordnungen auf einem Tank für tiefsiedenden Flüssigkeiten erfolgen und mittels Temperatursensor gesteuert werden. Je nach Eintrag des Wärmeträgerstromes sind dabei sehr schnelle Abkühlraten im Bereich bis 100 K/min zu erreichen.
Nach Erreichen der Endtemperatur von mindestens von –40°C, vorzugsweise jedoch von mindestens –80°C erfolgt die Lagerung für Tage bis Monate.
Sollen die Präparate zur Implantation kommen, muss die Erwärmung in oder nahezu in den physiologischen Bereich erfolgen. Dieser liegt bei humanen Zellarten über 30°C, vorzugsweise zwischen (35–37)°C. Zur erfolgreichen Erwärmung sind hier Heizraten über 30 K/min notwendig, vorzugsweise noch schnellere Heizraten um 60 K/min. Diese schnellen Heizraten können in herkömmlichen Freezern kaum erreicht werden und wenn doch, müssten für den Aufwärmprozess die Freezer bis zur Temperatur des gelagerten Materials kaltgefahren und dann das Material einge bracht werden. Die Bildung von Reif auf der gesamten Oberfläche verhindert dann aber, dass die Wärme schnell genug in das Gewebe eindringen kann mit der Folge, dass die Erwärmung eher unkontrolliert abläuft.
Zur Erzeugung einer schonenden und reproduzierbaren Aufwärmung ist es daher notwendig, einen Wärmeträgerstrom erfindungsgemäß unmittelbar in die Hohlräume 5 zuzuführen und zu dosieren. Erfindungsgemäß wird als Wärmeträger gepulster Heißdampf eingesetzt, der aus zum Beispiel Dampftöpfen über gesteuerte Ventile entnommen werden kann. Dieser Heißdampf besitzt eine sehr hohe Wärmekapazität und erreicht eine schnelle Strömung in den Zuführungen 6 sowie innerhalb der Hohlräume 5 der Mittel zur Wärmeübertragung. Dies verhindert das Auffrieren von Eisschichten auf den kalten Innenflächen und damit einen undefinierten thermischen Widerstand für den Wärmetransport. Durch zusätzliche Beschleunigung des gasförmigen Wärmestroms mittels eines Trägergasstroms wie zum Beispiel Druckluft wird eine Kondensation des Dampfes in den Zuführungen 6 sowie innerhalb der Hohlräume 5 der Mittel zur Wärmeübertragung vermieden, was ein Überschwingen der Temperatur über den physiologischen Temperaturbereich verhindert.
Ausführungsbeispiel
Im Beispiel besteht eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus zwei Aluminiumplatten von ca. 200 × 90 mm und etwa 4 mm Dicke, die durch Rippen weiter verstärkt sind. Als Behältnis 1 werden sowohl Behältnisse aus Edelstahl als auch aus Kunststoff eingesetzt. Die Behältnisse haben die Form von Dosen mit einem Durchmesser zwischen 32–36 mm. Die Mittel zur Wärmeübertragung sind im Ausführungsbeispiel zylinderförmige Hohlkörper aus Kupfer mit einem Durchmesser von 44 mm, so dass die Behältnisse sicher platziert werden können und im Außenring Platz für einen Temperatursensor bleibt. Jedes Behältnis hat seinen eigenen zugehörigen Kühlkörper, der über einen O-Ring von 1,5 mm isolierend auf den Grundplatten aufgehängt ist. Alle O-Ringe gemeinsam bringen die Kräfte für die feste Einspannung der Behältnisse auf, wenn die beiden Grundplatten mittels vier an den jeweiligen Ecken befindlichen Streben justiert und über Exzenter verspannt werden. Insgesamt können sechs Positionen besetzt werden, wobei die 6 Mittel zur Wärmeübertragung in einer 2×3 Matrix angeordnet sind. Bei einem geringeren Bedarf an Behältnissen 1 können auch maßgleiche Zwischenstücke mit angeordnet werden, um gleiche Vorspannung auf die Behältnisse zu haben.
Der höchste Wärmebedarf entsteht bei der Bestückung mit 6 großen Metalldosen mit jeweils den Konstrukten und etwa 2,5 ml Kryomedium. Er beträgt 56,5 kJ für Erwärmung von der Mindesttemperatur von –40°C bis 20°C. Diese Temperaturdifferenz kann mit einer Rate von 60 K/min überwunden werden; die Wärme muss also sehr schnell zugeführt werden.
Danach fordert die weitere Erwärmung für die gleiche Anordnung bis auf 37°C noch einen Bedarf von 8 kJ.
Das Verhältnis von 56 kJ zu 8 kJ zeigt, wie groß die Gefahr eines Überschwingens der Temperaturkurve ist, wenn die Energiezufuhr nicht sehr schnell ausgeschaltet werden kann.
Alle Komponenten heizen sehr schnell auf, sobald die Schmelzwärme für Konstrukte und Kryomedien zugeführt ist und der Wärmebedarf drastisch abnimmt.
Die beschriebenen Anforderungen werden erfindungsgemäß durch gepulsten Heißdampf erfüllt. Ca. 26 Gramm überhitzten Heißdampfes reichen aus, um die Wärmemenge für die schnelle Aufheizung aufzubringen. Diese Menge Dampf kann unschwer durch die verbindenden Schläuche sowie die Innenräume der Mittel zur Wärmeübertragung einschließlich der Zuführungstücken strömen. In den Versuchen wird der überhitzte Heißdampf einem Dampfautoklaven mit ca. 80 Litern Dampfvolumen entnommen. Damit steht immer ein ausreichender Überschuss an Dampf bereit, um verschiedene Beschickungsregime zu untersuchen. Zwischen die Entnahmestelle für den Heißdampf am Reservoir und die erfindungsgemäße Vorrichtung muss ein steuerbares Ventil geschaltet werden, um den Dampf gesteuert zugeben zu können. Gewählt wird hier ein gepulstes Ventil, dessen Pulsdauer variabel einstellbar ist. Damit kann die Veränderung des Durchflusses im Ventil bei Absinken des Eingangsdruckes durch Dampfentnahme aus dem Reservoir ausgeglichen werden.
An unterschiedlichen Zusammenschaltungen (3-er Reihe, 2-er Reihe) wird das Verhalten mittels Innensensor in einem gesondert präparierten Behältnis untersucht. Die Mittel zur Wärmeübertragung auf der oberen und unteren Grundplatte sind mit Schlauchstücken so verbunden, dass diese auf den elastischen Isolierungen der Platten aufliegen. Als Schlauchmaterial werden temperaturbeständige, dickwandige Schläuche eingesetzt. Der ankommende Heißdampf wird mittels eines T-Stückes aufgeteilt und den Mitteln zur Wärmeübertragung auf der oberen bzw. unteren Platte über Schlauchansätze zugeführt („Reihenschaltung”). Dieselbe Art der Kopplung der Leitungen besitzt auch die ableitende Seite.
Das Temperaturverhalten während des Auftauvorgangs wird mit zwei Temperatursensoren (Pt 100) erfasst. Der sogenannte Innensensor befindet sich in Bodennähe im Inneren einer großen Metalldose, wobei die Zuleitungen durch die Wand geführt werden, so dass der Deckel problemlos die Dose verschließt. Der Außensensor ist auf der Wärmekontaktfläche 7 in der Nähe der auf dieser Fläche befindlichen Dose, die den Innensensor enthält, platziert. Die Erfassung der Messwerte erfolgt mittels eines Temperaturmeßgerätes Lake Shore 32. Von dort werden die Daten zum Computer weitergeleitet und am PC mittels einer spezifischen Software erfasst.
2 zeigt die erreichten Temperaturkurven für den Innensensor, die durch unterschiedlich lange Dampfpulse und für unterschiedliche Materialien für die Behältnisse erreicht wurden. Wie ersichtlich, kann für unterschiedliche Positionen von drei in Reihe geschalteten Mitteln zur Wärmeübertragung als auch für unterschiedliche Materialien für die Behältnisse eine entsprechend schnelle Aufheizung erreicht werden.
Legende zu den Abbildungen
1
Schematische Darstellung der einheitlichen Vorrichtung mit den Einzelheiten

1: Behältnisse,
2: definierte Flächen für den Wärmeübergang,
3: Dichtungselemente,
4: Verschluss für das Behältnis
5: Hohlräume in den Mitteln zur Wärmeübertragung
6: Zuführungen zu den Mitteln zur Wärmeübertragung
7: aufnehmende Mittel mit Wärmekontaktflächen
8: Mittel zur definierten Kraftübertragung auf die Wärmekontaktflächen
9: biegesteife Platte
10: Wärme-/Kälteisolatoren, elastisch

2
Darstellung des Temperaturgangs im Inneren der Behältnisse mit Gewebeteilen und kryoprotektiven Flüssigkeiten

3 Kunststoff- bzw. Metalldosen; Kryomedium; Dampf gepulst
♦ Kunststoffdose, Messung Position 1
Kunststoffdose, Messung Position 3
• Metalldose, Messung Position 1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2002253206 [0011]
- US 5374811 [0012]
- JP 10179149 [0012]
- US 6065294 [0013]

Claims

Verfahren zur Temperierung von Gewebeteilen durch Kryokonservierung mit nachfolgendem Erwärmungsregime nach Einbringen von Gewebeteilen in ein Behältnis, Zufügen von Kryomedium in das Behältnis, das einem vorgegebenem Temperaturregime unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Behältnisse aus Kunststoff oder Metall in eine Temperiervorrichtung eingebracht werden, die eine durchgehende Temperierung über das Kryokonservieren und Lagern bis zum Entkonservieren ermöglicht, wobei das Kryokonservieren dergestalt abläuft, dass nach Zugabe eines Kryomediums die Behältnisse zwischen Wärmekontaktflächen arretiert werden mit einem möglichst hohen Anpressdruck jedoch mindestens mit einem Anpressdruck von 1 kg/cm², durch Zufuhr von gasförmigen Kältemittel in den Innenraum von Temperaturüberträgern der Temperaturbereich von +4 Grad C bis mindestens –40 Grad C sehr schnell durchschritten wird, das Auftauen mittels gepulster, überhitzter Wasserdampfstöße erfolgt, welche durch den Innenraum der Temperaturüberträger zum Durchströmen geleitet werden, wobei die Wärmekontaktflächen zwischen den das biologische Material beinhaltenden Behältnissen und der Vorrichtung so ausgestaltet sind, dass beim Wiedererwärmen die notwendige Schmelzenergie so schnell zugeführt wird, dass zwischen einer Lagertemperatur von unter –28°C und der Auftautemperatur von über 20°C eine Temperaturrate größer als 30 K/min erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Erzeugens oder Einbringens von Gewebematerial in Behältnisse, das Kryokonservieren, die Lagerung, das Auftauen und der Einsatz der Gewebeteile in einer einheitlichen Vorrichtung abläuft, wobei diese mit für das Einfrieren und für das Auftauen vorgegebenen Temperaturgängen, welche sowohl jeweils schnell als auch langsam sein können, beaufschlagt werden kann, und zusätzlich die für die Kryokonservierung und -entkonservierung vorgegebenen Temperaturgänge unterschiedlich sein können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Gewebeteile für einen Patienten in einer einheitlichen Vorrichtung gekühlt, aufbewahrt, aufgetaut, eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang durch den kritischen Temperaturbereich der Eisbildung im Gewebe in einem Zeitrahmen von höchstens 2 Sekunden abläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Haltevorrichtung arretierten Behältnisse in dieser und mit dieser kalt oder tiefkalt aufbewahrt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auftauen Heizraten von mindestens 60 K/min angewendet werden.
Vorrichtung zur Temperierung von Gewebeteilen durch Kryokonservierung mit nachfolgendem Erwärmungsregime, bestehend aus Behältnissen 1, diese bestehend aus biokompatiblen und medizinisch unbedenklichen Kunststoffen oder Metallen versehen mit Dichtelementen 3, diese bestehend aus kältebeständigem biologisch verträglichen und zugleich elastischem Material mit Federwirkung, die Behältnisse 1 eingepasst mit ihren Wärmeübergangflächen 2 in sich gegenüber liegende Hohlkörper mit Wärmekontaktflächen 7, diese bestehend aus gut leitenden Metallen und ausgestattet mit einem Hohlraum 5, der durch Anschlüsse 6 Wärmeträger kontinuierlich oder diskontinuierlich aufnehmen und abgeben kann, wobei die Hohlkörper zwischen biegesteifen Platten eingepasst sind und sich zwischen Hohlkörper und biegesteifen Platten ein elastisches, isolierendes Material befindet, das einen Anpressdruck aushält und Maßdifferenzen der Behältnisse 1 ausgleicht und die biegesteifen Platten mit definiertem Anpressdruck aneinandergepresst werden, wobei der Anpressdruck durch geeignete mechanische Vorrichtungen, wie bspw. Federn, Exzenter oder Gewindeverbindungen erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekontaktflächen aus Silber, Kupfer, vergoldetem Edelstahl oder anderen gut wärmeleitenden Materialien bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die biegesteifen Platten mechanisch so ausgelegt sind, dass sie einen Anpreßdruck von mindestens 1 kg/cm² je Flächeneinheit der eingepaßten Behältnisse aufnehmen können.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper für das Durchleiten von Wärmeträgern wie Kaltgas, tiefsiedenden gekühlten Flüssigkeiten aber auch Heißdampf ausgelegt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Behältnisse in der Vorrichtung platziert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlkörper zur Wärmeübertragung kopfseitig oder bodenseitig oder sowohl als auch an den Behältnissen 1 angeordnet sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 7, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper, welche die Behältnisse umfassen, zur Wärmeübertragung parallel oder in Reihe geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass den Behältnissen 1 vergleichbare, maßgenaue Zwischenstücke zum Erzielen gleicher Vorspannung in der Vorrichtung positioniert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Behältnisse 1 zwischen dem Kryomedium und der Kopffläche einen Gasraum für mit Kohlendioxid angereicherte Luft aufnehmen können.