DE4335514C2 - Vorrichtung zum Austauschen von Fluids - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austauschen eines Fluids in einer verschlossenen Kammer insbesondere für Experimente.

Für Experimente in einer geschlossenen Kammer, die z. B. eine Kulturkammer enthalten kann, ist es oft erforderlich, das in dem Behälter befindliche Fluid (Flüssigkeit oder Gas) auszutauschen. Hierzu ist es aus der EP 0 409 650 bekannt, ein Septum des Behälters mit einer Pumpe mit Nadel anzustechen, die zusätzlich zum Einführungskanal einen Rückflußkanal parallel aufweist. Das durch den Rückflußkanal abfließende Fluid muß separat durch einen Behälter aufgefangen werden. Die Handhabung dieser bekannten Vorrichtung ist schwierig und kann zum Verschütten bzw. einen Ablassen in die Atmosphäre führen. Ferner kann nicht bei mehreren Behältern gleichzeitig das Fluid gewechselt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfacher Konstruktion und Handhabung eine sichere und schnelle Arbeitsweise erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

• - daß an die Kammer eine zweite Kammer über zwei Leitungen ankoppelbar ist,
• - daß in der zweiten Kammer ein Kolben verschiebbar angeordnet ist, der die Kammer in zwei Räume trennt,
• - daß im angekoppelten Zustand die erste Leitung den das frische Fluid enthaltenen ersten Raum mit dem Einlaß der ersten Kammer verbindet und,
• - daß im angekoppelten Zustand die zweite Leitung den zweiten leeren Raum mit dem Auslaß der ersten Kammer verbindet.

Diese Proben- oder Medienaustauscheinrichtung fängt, das auszutauschende Fluid (Probe) gleichzeitig ohne zusätzliche Vorrichtung auf. Erst durch Kopplung der Inkubationseinheit, der eigentlichen Probenkammer, mit der Austauscheinheit wird über Steckkupplungen oder Hohlnadeln der Flüssigkeitsaustausch in der Probenkammer ermöglicht. Das Fluid bzw. die Probe kann so durch Betätigung des Stempels im gefüllten Zylinder der Austauscheinheit in die Kammer injiziert und gleichzeitig über eine Rückleitung in den freiwerdenden Raum über dem Stempel geführt werden.

Insbesondere ist diese Vorrichtung für Zell-Kultivierungen geeignet, in denen die experimentellen Bedingungen deren Kultivierung im offenem System nicht erlauben. Die Zellen werden in diesem System in der Inkubationseinheit durch eine poröse Membran geschützt. Die Austauscheinheit enthält dann das für die Kultivierung nötige frische Medium, während das nach dem Austausch aufgefangene Medium für Analysen zur Verfügung steht.

Durch das Nebeneinandersetzen mehrerer Einheiten in einem Block können mehrere unterschiedliche Ansätze parallel durchgeführt werden. Indem beispielsweise 10 oder mehr Einzelkammern und ebensoviele medienbefüllte Austauschzylinder in einem Block gefertigt werden, ist es möglich, unterschiedlich zu behandelnde Zellen gleichzeitig mit einer Einrichtung zu kultivieren.

Die bisher bekannten Verfahren zu Zell-Kultivierung in Brutschränken unter CO₂-Begasung, bei der ein manueller offener Medienaustausch unter einer Sterilbank erfolgt, können als Kultivierung im "offenen System" bezeichnet werden. Ist solch ein Brutschrank nicht vorhanden oder ist die Kultivierung in offenen Flaschen und Platten nicht möglich, so zum Beispiel bei Raumflügen unter µ- Erdbeschleunigung, müssen die Zellen im "geschlossenem System" gehalten werden. Bei diesem hier vorgestelltem System können keine Zellen oder Medien nach außen treten. Damit verbunden, ist eine Kontamination durch äußere Keime bei richtiger Handhabung nicht möglich. Gleichzeitig kann mit diesem System auf eine einfache Weise das Mitführen aufwendiger zusätzlicher Verwahrungs- und Abfallbehälter sowie für den Austausch notwendiger Gerätschaften verhindert werden. Dies wäre jedoch bei den bisher bekannten Systemen der Fall gewesen.

Weiterhin wurde mit diesem System unter besonderer Berücksichtigung der platzlimitierenden Bedingungen innerhalb eines Raumflugzeuges eine Lösung gefunden, die eine schnelle unkomplizierte einfache Handhabung mit geringem zeitlichen und manuellen Aufwand ermöglicht. Die Konstruktion der Einheiten erlaubt eine Wiederbenutzung und berücksichtigt die Variabilität der experimentellen Ansätze. Ebenso kann eine automatisierte Version dieses Systems bei maschineller Betätigung des Drehhebels oder der Führungsplatte Verwendung in unbemannten Raumflügen finden. Jedoch auch für die Verwendung in normal ausgestatteten Laboratorien ist sie als einfache Alternative zur bekannten Zell-Kultivierung denkbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen jeweils im Schnitt dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 erste und zweite Kammer im abgekoppelten Zustand,

Fig. 2 erste und zweite Kammer im angekoppelten Zustand,

Fig. 3 zwei Ventile im abgekoppelten Zustand,

Fig. 4 die zwei Ventile aus Fig. 3 im angekoppelten Zustand,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel mit Hohlnadeln zum Ankoppeln.

Die Vorrichtung weist eine erste Kammer 1 auf, in deren Innenraum 2 sich ein Fluid bzw. ein Medium befindet. Ferner ist im Innenraum 2 eine Kammer 3, insbesondere eine Kulturkammer befestigt, die eine Wandung aufweist, die eine Membran sein kann. In dieser Kammer 3 befinden sich im Ausführungsbeispiel Zellen und die Kammer 3 ist durch eine Kulturmedium umflossen, das durch die Kulturkammerwand bzw. die Membran zu den Zellen hindurchdringen kann. Die Kammer 3 kann in beiden Ausführungsbeispielen fehlen, wenn der Innenraum 2 ausreicht, um dort insbesondere Versuche durchzuführen. Der Inhalt der Kammer 3 ist durch eine Öffnung 4 erreichbar, die durch eine Schraube, einen Pfropfen oder ein Septum 6 verschlossen ist.

Um das im Innenraum 2 befindliche Medium bzw. Fluid zu wechseln, ist eine zweite Kammer 7 vorgesehen, die durch einen Kolben 8, an der eine Kolbenstange 9 fest ist, in zwei Räume 10, 11 unterteilt ist. Wird der Kolben 8 durch die Kolbenstange 9 in Richtung der ersten Kammer bewegt, so strömt das Fluid aus dem zweiten Raum 11 über eine Leitung 12 in den Innenraum 2 und das im Innenraum 2 befindliche Fluid über eine Leitung 13 zur Rückseite des Kolbens 8 in den ersten Raum 10. Hierbei müssen die Kammern 1 und 7 aneinander gekoppelt sein, wie dies Fig. 2 zeigt.

Die beiden Leitungen 12 und 13 verlaufen somit durch die Gehäuse beider Kammern 1 und 7. Die Leitung 12 bildet im Gehäuse der Kammer 7 einen Auslaß 14 und die Leitung 13 einen Einlaß 15. In gleicher Weise bildet die Leitung 12 im Gehäuse der ersten Kammer 1 einen Einlaß 16 und einen Auslaß 17. Die Ein- und Auslässe 14-17 besitzen Ventile, die in den Fig. 3 und 4 vergrößert dargestellt sind, und die aneinander gekoppelt werden können. Im angekoppelten Zustand sind die Ventilstellglieder 18 dieser vier Ventile in einer Weise ausgeführt, daß durch axiale Vorsprünge 18a an den Ventilstellgliedern diese sich selbsttätig in eine Öffnungsstellung drücken, entgegen einer jeweiligen Feder 19, die jedes Ventilstellglied in der Schließstellung im abgekoppelten Zustand gegen einen Dichtungsring 20 hält. Werden also die zwei Kammern 1 und 7 in einer Weise aneinander gedrückt, daß die Ventile 21 mit vorspringenden Leitungsenden 22 aneinandergedrückt werden, wobei das Teil 22 in einer Öffnung 23 des gegenüberliegenden Ventils abdichtend einliegt (Dichtungsring 24), so werden selbsttätig die vier Ventilstellglieder 18 geöffnet und durch beide Leitungen 12, 13 kann das jeweilige Fluid fließen. Ein Betätigen der Kolbenstange führt somit automatisch zu einem Wechsel des Fluids im Innenraum 2, wobei das verbrauchte Fluid zur zweiten Kammer durchfließt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 entscheidet sich im Aufbau und in der Arbeitsweise im wesentlichen nicht nach den Fig. 1 bis 4. Statt der Ventile 21 sind dort Hohlnadeln 25 angeordnet, die auf der gegenüberliegenden Seite ein Septum 26 durchstechen und damit die Verbindung der Leitungen 12, 13 erreichen.

In beiden Ausführungsbeispielen sind mehrere erste Kammern zu einer kompakten Einheit 27 zusammengefaßt, die einen Block bilden, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Es können beispielsweise 10 erste Kammern 1 zu einer Einheit (beispielsweise einer Inkubationseinheit) zusammengefaßt werden. In gleicher Weise sind die zweiten Kammern 7 zu einer Einheit 28 blockförmig zusammengefaßt, wobei die Kammern in der einen Einheit stets dieselbe Anzahl besitzen wie in der anderen Einheit.

In der Austauscheinheit 28 sind alle Kolbenstangen 9 durch ein Verbindungsteil 29 miteinander verbunden und insbesondere durch eine Schraube 30 betätigbar, so daß alle Kolben gleichzeitig bewegt werden können, wenn die Einheit 28 auf der Einheit 27 angekoppelt ist. Hierbei ist es selbstverständlich, daß alle Ventile bzw. Kupplungen bzw. Hohlnadeln/Trennwände (Septem) miteinander fluchten.

Die Zellen werden innerhalb eines Membranzylinders in der Inkubationskammer kultiviert. Die Membran erlaubt den Durchtritt von Nährsubstanzen aber nicht den Austritt der Zellen. Die einseitig verschlossenen Membranzylinder können einzeln behandelt und den Kammerdeckeln aufgesetzt werden. Nach Befüllen der Kammern mit Medium werden diese mit den membranbesetzten Deckeln verschlossen. Die Injektion der präparierten Zellen erfolgt über die zweite durch eine Schraube wiederverschließbare Öffnung in dem Membranzylinder. So luftblasenfrei mit frischem Medium und Zellen befüllt, wird die Inkubationseinheit der gewählten Inkubationstemperatur zugeführt.

Zur weiteren Kultivierung der Zellen wird ein Austausch des Mediums erforderlich. Dazu wird die Inkubationseinheit mit der befüllten Medienaustauscheinheit verbunden. Durch das Ineinanderstecken werden die beidseitig sperrenden Schnellverschlußkupplungen geöffnet. Ein anzubringender oder fest montierter Drehhebel erlaubt die gleichmäßige Führung aller an der Führungsplatte befestigten Stempel. Bei einem großem Volumenverhältnis des Austauschvolumen zum Kammervolumen kann die Inkubationskammer noch durchspült und somit ein sauberer Austausch gewährleistet werden. Durch die Rückführung (ebenfalls durch Steckkupplungsverschlüsse im gekoppeltem Zustand geöffnet) wird das alte verbrauchte Medium in den freiwerdenden Raum oberhalb der Stempel aufgenommen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Austauschen eines Fluids in einer verschlossenen Kammer (1) insbesondere für Experimente, dadurch gekennzeichnet,

• - daß an die Kammer (1) eine zweite Kammer (7) über zwei Leitungen ankoppelbar ist,
• - daß in der zweiten Kammer (7) ein Kolben (8) verschiebbar angeordnet ist, der die Kammer (7) in zwei Räume (10, 11) trennt,
• - daß im angekoppelten Zustand die erste Leitung (12) den das frische Fluid enthaltenen ersten Raum (11) mit dem Einlaß (16) der ersten Kammer (7) verbindet und
• - daß im angekoppelten Zustand die zweite Leitung (13) den zweiten leeren Raum (10) mit dem Auslaß (17) der ersten Kammer (1) verbindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere erste Kammern (1) zu einer Einheit (27) zusammengefaßt sind, dessen Leitungsanschlüsse jeweils mit den Leitungsanschlüssen einer zweiten Einheit (28) verbindbar sind, in dem mehrere zweite Kammern (7) zusammengefaßt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungsanschluß von der ersten (1) zur zweiten Kammer (7) jeweils eine Kupplungseinrichtung, insbesondere eine Steckkupplung (18-24), mit an der ersten (1) und zweiten Kammer (7) jeweils einem Ventil aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ventile (21) einer Kupplungseinrichtung (18-24) öffnen, wenn die erste Kammer (1) an der zweiten Kammer (7) angekuppelt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der ersten (1) und/oder zweiten Kammer (7) Hohlnadeln (25) befestigt sind, die die Leitungsanschlüsse von der ersten (1) zur zweiten Kammer (7) bilden und jeweils ein Septum (26) durchstechen.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Kammer (1) eine allseitig verschlossene dritte Kammer (3) angeordnet ist, von der mindestens eine Seitenwand eine Membran aufweist oder bildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verschlossene dritte Kammer (3) über einen Kanal oder eine Öffnung (4) befüllbar ist, der bzw. die durch eine Schranke, einen Pfropfen, ein Ventilglied oder ein Septum (6) verschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kolben (8) einer Einheit (28) durch ein Verbindungsteil (29) miteinander verbunden sind, durch das eine gemeinsame Bewegung aller Kolben (8) erzeugbar ist.