DE4104649A1 - Vorrichtung zur injektion eines fluids in einen aufnahmebehaelter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Injektion eines Fluids in einen fluidgefüllten Aufnahmebehälter, und insbesondere eine Vorrichtung für einen umwelt­ neutralen und verlustfreien Volumenaustausch zwischen Gasen und/oder Flüssigkeiten unter Extrembedingungen, z. B. unter Schwerelosigkeit im Weltraumlaboratorium.

Für die Konservierung von Zellen und Geweben benutzt man eine Fixierflüssigkeit. Solche Fixierflüssigkeiten sind in der Regel toxisch, so daß sie nicht in die Um­ gebungsatmosphäre gelangen dürfen. Außerdem ist eine sehr genaue Dosierung der Fixierflüssigkeit erforder­ lich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Injektion eines Fluids in einen fluidgefüllten Aufnahmebehälter zu schaffen, die einen umweltneutralen und verlustfreien Volumenaustausch unter vollständiger Isolierung gegen die Umgebung in einem geschlossenen System ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Injek­ tionseinheit vorgesehen, die außer einer Spritze mit einer ersten Nadel zum Durchstechen einer ersten Mem­ bran des Aufnahmebehälters einen Überlaufraum aufweist, der über eine zweite Nadel zum Durchstechen einer zweiten Membran des Aufnahmebehälters befüllbar ist. Die Injektionseinheit dient also einerseits zur Injek­ tion, andererseits aber auch zur Aufnahme des aus dem Aufnahmebehälter verdrängten Fluides, wobei sowohl die Injektion als auch die Aufnahme des verdrängten Fluides unter vollständigem Abschluß gegen die Umgebung er­ folgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbeson­ dere für den Einsatz unter Schwerelosigkeit im Welt­ raumlabor. Hierbei ist der Aufnahmebehälter mit einem Fluid, vorzugsweise einer Flüssigkeit, vollständig ge­ füllt. Diese aus dem Aufnahmebehälter verdrängte Flüs­ sigkeit wird von dem Überlaufraum der Fixiereinheit aufgenommen. Ein möglicher Anwendungsfall der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ist die Konservierung von Zellen und Geweben, die in dem Aufnahmebehälter in einer Flüssigkeit enthalten sind, durch Zusatz einer Fixierflüssigkeit, die aus der Injektionseinheit heraus in den Aufnahmebehälter in genau dosierter Menge inji­ ziert wird.

Vorzugsweise ist der den Überlaufraum begrenzende Kol­ ben der Fixiereinheit der Spritzenkolben, wobei das hinter diesem Kolben befindliche Volumen des Spritzen­ zylinders Bestandteil des Überlaufraumes ist. Auf diese Weise vergrößert sich das Volumen des Überlaufraumes in demselben Maße wie sich das die Zuspritzflüssigkeit enthaltende Volumen des Spritzenzylinders beim Aus­ drücken der Spritze verkleinert, abzüglich dem Volumen der Kolbenstange. Durch das Absenken des Spritzenkol­ bens entsteht hinter diesem ein Unterdruck, wodurch das Austauschen der Flüssigkeit unterstützt wird. Dieses Gesamtvolumen ist gegen die Umgebung vollständig abge­ dichtet, so daß keines der beiden Fluide in die Um­ gebung gelangen kann.

Die Injektionseinheit bildet vorzugsweise ein selbstän­ diges Gerät, das vor seiner Befestigung am Aufnahmebe­ hälter gegen unbeabsichtiges Betätigen gesichert ist. In der Injektionseinheit sind die beiden Nadeln so untergebracht, daß sie von außen nicht zugänglich sind. Vorzugsweise sind sie hinter elastischen, selbst­ schließenden Trennwänden (medizinische Septen), im fol­ genden generell Membranen genannt, verdeckt angeordnet und die Injektionseinheit kann an dem Aufnahmebehälter oder an einem diesen umgebenden Außengehäuse fest ange­ bracht werden. Zum Betätigen der Injektionseinheit wird eine Kupplungsvorrichtung, die den Spritzenzylinder mit einem Schieberohr verbindet, vorgeschoben, wodurch die beiden Nadeln durch die jeweiligen Membranen hindurch in den Aufnahmeraum hinein vordringen. Wird danach die Spritze durch Vorschieben des Spritzenkolbens ausge­ drückt, so vergrößert sich der Überlaufraum, der die aus dem Aufnahmeraum verdrängte Flüssigkeit aufnimmt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für jegliche Art des verlustfreien Volumenaustausches geeignet, bei­ spielsweise für Gas/Gas, Gas/Flüssigkeit und Flüssig­ keit/Flüssigkeit. Flüssigkeiten und Gase werden hier generell zusammenfassend als Fluide bezeichnet.

Die Vorrichtung ist insbesondere für den Einsatz unter Schwerelosigkeit, beispielsweise in Weltraumlaborato­ rien, bestimmt, jedoch kann sie auch im Schwerefeld der Erde oder unter anderen Schwerkraftbedingungen einge­ setzt werden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt der Vorrichtung und

Fig. 2 eine Vorderansicht der Injektionseinheit, teil­ weise geschnitten.

Die Vorrichtung besteht aus der Injektionseinheit 10 und der Aufnahmeeinheit 11. Die Aufnahmeeinheit 11 be­ steht ihrerseits aus dem vollständig geschlossen ausge­ bildeten Aufnahmebehälter 12 und dem diesen umgebenden Außengehäuse 13, das einen ebenfalls keimdicht gegen die Umgebung verschlossenen Behälter darstellt.

Die Injektionseinheit 10 weist eine Führungsvorrichtung 14 auf, die zwei parallele Führungsbohrungen 15, 16 ent­ hält und die an ihrer vorderen Stirnwand 17 zwei Füh­ rungsansätze 18, 19 aufweist, welche in entsprechende Führungsaufnahmen des Außengehäuses 13 vertauschungs­ sicher eingesetzt werden können, um die Injektionsein­ heit in definierter Position an der Aufnahmeeinheit 11 befestigen zu können. Die Führungsbohrungen 15, 16 sind zum rückwärtigen Ende hin offen.

Die Führungsbohrung 15 dient zum Führen der Spritze 20, die aus dem Spritzenzylinder 21 und dem Spritzenkolben 22 besteht und die in dem vom Spritzenkolben 22 be­ grenzten Spritzenraum eine Flüssigkeit 23 enthält. Von der vorderen Stirnwand des Spritzenzylinders 21 steht eine hohle erste Nadel 24 ab, die bei zurückgezogener Spritze in dem Führungsansatz 18 endet. Der Führungs­ ansatz 18 enthält eine innere Membran 25 und eine äußere Membran 26, die einen Hohlraum einschließen. Die Spitze der hohlen Nadel 24 befindet sich bei zurückge­ zogener Spritze 20 in diesem Hohlraum.

In der Führungsbohrung 16, deren Durchmesser wesentlich kleiner ist als derjenige der Führungsbohrung 15, ist ein Schieberohr 27 geführt, das zum rückwärtigen Ende hin offen ist und von dessen vorderer Stirnwand die zweite Nadel 28 absteht. Bei zurückgezogenem Schiebe­ rohr 27 befindet sich die vordere Spitze der zweiten Nadel 28 in einem Hohlraum, der von den beiden im Füh­ rungsansatz 19 enthaltenen Membranen 29 und 30 begrenzt ist.

Die offenen rückwärtigen Enden des Spritzenzylinders 21 und des Schieberohrs 27 sind durch eine Kopplungsvor­ richtung 31 mechanisch und fluiddicht untereinander verbunden. Zur Fluidverbindung der Innenräume des Spritzenzylinders 21 und des Schieberohrs 27 dient ein durch die Kopplungsvorrichtung hindurch verlaufender Kanal 32, der den Innenraum 27a des Schieberohrs 27 mit dem rückwärtigen Zylinderraum 33 des Spritzenzylinders 21 verbindet. Die Kopplungsvorrichtung 31 ist eine Kappe, die die rückwärtigen Enden des Innenraums 27a und des rückwärtigen Zylinderraums 33 verschließt. Durch eine Bohrung dieser Kappe erstreckt sich die Kol­ benstange 34 des Spritzenkolbens 22, wobei der Durch­ gang mit Ringdichtungen abgedichtet ist. An der Kolben­ stange 34 kann eine Betätigungsstange 35 lösbar be­ festigt werden, die beispielsweise in das Ende der Kol­ benstange eingeschraubt wird und die den gleichen Durchmesser hat wie die Kolbenstange, so daß sie ab­ dichtend in der Bohrung der Kopplungsvorrichtung gleiten kann. In dem in den Zeichnungen dargestellten Zustand, in dem der Spritzenkolben 22 sich am rückwär­ tigen Ende des Spritzenzylinders 21 befindet, ragt ein Teil der Kolbenstange 34 aus der Kopplungsvorrichtung 31 heraus und anstelle der Betätigungsstange 35 ist an dem rückwärtigen Ende der Kolbenstange 34 ein Rück­ halteelement 36 in Form einer Rändelschraube befestigt, das sich an der Außenseite der Kopplungsvorrichtung 31 abstützt. Durch das Rückhalteelement 36 ist der Spritzenkolben 22 in seiner rückwärtigen Endstellung im Spritzenzylinder 21 fixiert.

Zur Fixierung der Spritze 20 in der rückwärtigen End­ stellung in bezug auf die Führungsvorrichtung 14 dient einerseits ein Abstandhalter 37, der sich zwischen dem rückwärtigen Ende der Führungsvorrichtung 14 und der Kopplungsvorrichtung 31 erstreckt, und andererseits eine Haltevorrichtung 38 in Form eines Zugankers, der die Kopplungsvorrichtung 31 mit der Führungsvorrichtung 14 verbindet und der die Rückwärtsbewegung der Kopplungsvorrichtung 31 begrenzt, jedoch eine Vorwärts­ bewegung aus der rückwärtigen Endstellung heraus zu­ läßt.

Das Außengehäuse 13 enthält eine Membran 40, die mit der Membran 26 axial ausgerichtet ist und von der ersten Nadel 24 durchstochen werden kann, und eine Mem­ bran 41, die mit der Membran 30 ausgerichtet ist und von der zweiten Nadel 28 durchstochen werden kann. Hinter der Membran 40 befindet sich ein Einfüllstutzen 42 des Aufnahmebehälters 12. Dieser Einfüllstutzen 42 enthält eine weitere Membran 43. Eine andere Membran 44 ist in Ausrichtung mit den Membranen 29, 30 und 41 der Oberwand des Aufnahmebehälters 12 vorgesehen. Diese Menbran 44 kann von der zweiten Nadel 28 durchstochen werden.

Der Aufnahmebehälter 12 weist in axialer Ausrichtung mit der Membran 44 einen Rücklaufraum 45 in Form einer Bohrung auf, die von dem Aufnahmeraum 46 durch eine Wand 47 getrennt ist. Der Rücklaufraum 45 ist mit dem Aufnahmeraum 46 durch einen Durchlaß 48 verbunden, der sich an dem dem Einfüllstutzen 42 abgewandten Ende des Aufnahmeraums 46 befindet.

Wenn die Injektionseinheit 10 auf die Aufnahmeeinheit 11 in der in Fig. 1 dargestellten Weise aufgesetzt ist, wird sie an der Aufnahmeeinheit durch die Befestigungs­ vorrichtung 50 fixiert. Die Befestigungsvorrichtung 50 besteht aus einer Gewindeschraube, die durch Drehen der als Rändelgriff ausgebildeten Betätigungsvorrichtung 51 gedreht werden kann, um die Injektionseinheit 10 an der Aufnahmeeinheit 11 zu befestigen bzw. von dieser zu lösen.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt: Der Aufnahmeraum 46 und der Rücklaufraum 45 sind mit Flüs­ sigkeit gefüllt. Ebenso ist der vordere Spritzenraum des Spritzenzylinders 21 mit einer Fixierflüssigkeit 23 vollständig gefüllt. Die Injektionseinheit 10 ist auf der Aufnahmeeinheit 11 in der dargestellten Weise be­ festigt. Der Abstandhalter 37 ist entfernt, so daß die Vorrichtung betriebsbereit ist.

Zum Injizieren der Flüssigkeit 23 in den Aufnahmeraum 46 wird die Kopplungsvorrichtung 31 in Richtung auf die Aufnahmeeinheit 11 vorgeschoben. Dabei durchdringen die Spitzen der Nadeln 24 und 28 die äußeren Membranen 26 und 30 der Führungsvorrichtung 14, wobei sie von den inneren Membranen 25 und 29 geführt werden. Die Spitzen der beiden Nadeln durchdringen dann gleichzeitig die Membranen 40 und 41 des Außengehäuses 13 und beim wei­ teren Vorschieben durchdringt dann zunächst die erste Nadel 24 die Membran 43 des Aufnahmebehälters 12 und dann durchdringt die Nadel 28 die Membran 44 des Auf­ nahmebehälters.

Das Rückhalteelement 36 ist entfernt und durch die Be­ tätigungsstange 35 ersetzt. Durch Vorschieben der Be­ tätigungsstange 35 wird der Spritzenkolben 22 im Spritzenzylinder 21 vorgeschoben, wodurch Flüssigkeit 23 durch die erste Nadel 24 hindurch in den Aufnahme­ raum 46 hinein injiziert wird. Aus dem Aufnahmeraum 46 wird Flüssigkeit durch den Durchlaß 48 in den Rücklauf­ raum 45 hineingedrückt und aus diesem gelangt die ver­ drängte Flüssigkeit durch die zweite Nadel 28 in den Innenraum 27a des Schieberohrs 27 und schließlich durch den Kanal 32 in den rückwärtigen Zylinderraum 33. Der rückwärtige Zylinderraum 33 vergrößert sich in dem­ selben Maße, in dem aus dem vorderen Zylinderraum Flüs­ sigkeit verdrängt wird. Unterstützt wird das Aus­ tauschen der Flüssigkeit vom Rücklaufraum 45 in den rückwärtigen Zylinderraum 33 durch die Saugwirkung des entstehenden Unterdruckes, welcher durch das Absenken des Spritzenkolbens 22 entsteht.

Die Führungsbohrungen 15 und 16 sind etwas weiter als die Außendurchmesser des Spritzenzylinders 21 und des Schieberohrs 27, so daß Luft, die in den Führungsboh­ rungen enthalten ist, beim Vorschieben der Kopplungs­ vorrichtung 31 entweichen kann.

Der Innenraum 27a des Schieberohrs 27 kann entweder ein Gas (Luft) oder eine Flüssigkeit enthalten. Da das Volumen dieses Innenraums 27a konstant ist, verändert es nicht die Volumenbilanz beim Ausdrücken der Spritze 20. Wichtig ist, daß der rückwärtige Zylinderraum 33 beim Vorschieben des Spritzenkolbens 22 ein zusätz­ liches Volumen zur Verfügung stellt, das im wesent­ lichen gleich dem injizierten Volumen der Flüssigkeit 23 ist.

Nach Beendigung der Injektion werden die Nadeln durch Zurückziehen der Kopplungsvorrichtung 31 wieder in die Führungsvorrichtung 14 der Injektionseinheit 10 einge­ zogen, wobei die Spitzen der Nadeln 24 und 28 zunächst aus den Membranen 43 und 44 herausgezogen werden, wo­ durch Tropfen von den Nadelspitzen abgestreift werden. Beim weiteren Herausziehen werden die Nadelspitzen an den Membranen 40 und 41 noch einmal tropfenfrei abge­ streift. Durch Drehen der Betätigungsvorrichtung 51 wird die Befestigungsvorrichtung 50 gelöst. Die Injek­ tionseinheit 10 wird vom Außengehäuse 13 abgenommen und gelagert.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Injektions eines Fluids in einen fluidgefüllten Aufnahmebehälter (12), mit einer Spritze (20), deren Nadel (24) durch eine Membran (43) des Aufnahmebehälters (12) stechbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritze (20) Bestandteil einer Injektions­ einheit (10) ist, die eine durch eine zweite Mem­ bran (44) des Aufnahmebehälters (12) stechbare zweite Nadel (28) aufweist, und daß die zweite Nadel (28) mit einem gegen die Umgebung abgedich­ teten Überlaufraum (27a, 33) verbunden ist, der das aus dem Aufnahmebehälter (12) verdrängte Fluid­ volumen aufnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Überlaufraum (27a, 33) durch einen Kolben begrenzt ist und sich beim Bewegen des Spritzenkolbens (22) in dem Maße vergrößert, in dem sich das in der Spritze (20) enthaltene Fluid­ volumen verkleinert, abzüglich des Volumens der Kolbenstange (34), und somit einen Unterdruck er­ zeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der den Überlaufraum (27a, 33) begrenzende Kolben der Spritzenkolben (22) ist und daß das hinter diesem Kolben befindliche Volumen des Spritzenzylinders (21) Bestandteil des Überlauf­ raumes ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Nadel (28) an einem Schiebe­ rohr (27) befestigt ist, das über eine Kopplungs­ vorrichtung (31) mit dem Spritzenzylinder (21) verbunden ist, derart daß die erste Nadel (24) und die zweite Nadel (28) gemeinsam aus der Injek­ tionseinheit (10) heraus in den Aufnahmebehälter (12) vorschiebbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Injektionseinheit (10) eine mit dem Außengehäuse (13) verbindbare Führungsvorrichtung (14) aufweist, in der der Spritzenzylinder (21) und das Schieberohr (27) linear verschiebbar ge­ führt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Führungsvorrichtung (14) mit dem Außengehäuse (13) durch eine lösbare Haltevorrich­ tung (38) fest verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß ein abnehmbarer Abstand­ halter (37) vorgesehen ist, der die Spritze (20) an der Führungsvorrichtung (14) abstützt und ein Vorschieben der Spritze verhindert.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Überlaufraum (27a, 33) aus dem Innenraum (27a) des Schieberohrs (27), einem durch die Kopplungsvorrichtung (31) verlau­ fenden Kanal (32) und dem hinter dem Spritzenkol­ ben (22) befindlichen rückwärtigen Zylinderraum (33) besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsvorrich­ tung (14) Führungsbohrungen (15, 16) für den Spritzenzylinder (21) und das Schieberohr (27) enthält und an dem dem Außenbehälter (13) zuge­ wandten Ende durch mit den Nadeln (24, 28) ausge­ richtete durchstechbare Membranvorrichtungen (25, 26; 29, 30) abgeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionseinheit (10) mit einer den Aufnahmebehälter (12) bildenden oder enthaltenden Aufnahmeeinheit (11) durch eine lösbare Befestigungsvorrichtung (50) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzenkolben (22) eine Kolbenstange (34) aufweist, die mit einer Betätigungsstange (35) lösbar verbunden ist und bei in der Rückzugsstellung befindlichem Spritzenkolben (22) durch die Kopplungsvorrichtung (31) hindurchgeht, und daß ein Rückhalteelement (36) vorgesehen ist, das anstelle der Betätigungs­ stange (35) an der Kolbenstange (34) zu befestigen ist und sich an der Außenseite der Kopplungsvor­ richtung (31) abstützt.