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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 .
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nach
Erreichen der Endtemperatur von mindestens von –40°C,
vorzugsweise jedoch von mindestens –80°C erfolgt
die Lagerung für Tage bis Monate.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiel
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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.
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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.
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Danach
fordert die weitere Erwärmung für die gleiche
Anordnung bis auf 37°C noch einen Bedarf von 8 kJ.
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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.
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Alle
Komponenten heizen sehr schnell auf, sobald die Schmelzwärme
für Konstrukte und Kryomedien zugeführt ist und
der Wärmebedarf drastisch abnimmt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Legende zu den Abbildungen
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1
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Schematische Darstellung der einheitlichen
Vorrichtung mit den Einzelheiten
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- 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
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2
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Darstellung des Temperaturgangs im Inneren
der Behältnisse mit Gewebeteilen und kryoprotektiven Flüssigkeiten
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- 3 Kunststoff- bzw. Metalldosen; Kryomedium; Dampf gepulst
- ♦ Kunststoffdose, Messung Position 1
- Kunststoffdose,
Messung Position 3
- • Metalldose, Messung Position 1
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002253206 [0011]
- - US 5374811 [0012]
- - JP 10179149 [0012]
- - US 6065294 [0013]