JP2022507641A - 生物学的溶液を凍結するデバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、無菌条件下かつ小容積容器内における生物薬剤材料のような繊細物質を含有する液体混合物又は懸濁液を凍結するのに使用するシステム及び方法を提供する。開示のデバイスは、凍結する容積層をモニタリングしつつ溶液の氷核形成を制御するとともに、ボトムアップの幾何学的形状における氷成長率を制御することができ、また温度制御手段を有する熱伝導表面（101）と、多重容器（109）のためのホルダ（102）と、ホルダを熱伝導表面に押し付ける押圧手段（103）と、及び随意的に接触促進材料と、を備える。開示の方法は、デバイスをほぼ溶液の氷核形成温度より低い温度に予冷却するステップと、容器をホルダ内に配置するステップと、サンプル全量における１０％の分量が凍結するまで容器を熱伝導表面に接触させるステップと、容器と熱伝導表面との間の接触を遮断するステップと、溶液の全体積が凍結するまで生物溶液の凍結が均質となるよう所定凍結速度で容器を熱伝導表面に接触させるステップと、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、概して、多重小容積容器内における生物学的材料のような繊細（sensitive）物質を含有する液体混合物又は懸濁液を凍結するデバイス及び方法に関し、とくに、生物学的材料は、とりわけ生体細胞、血液細胞、ウイルス、タンパク質、抗体である。さらに、本開示は、多重容器内における少量の水性混合物の凍結中の氷核形成及び結晶成長の再現性を改善する。

繊細物質の凍結保存は細胞生物学の進展に関連して多くの用途で重要である。細胞又はその培養結果としての誘導体は、一般的に、その遺伝物質の保存バンキングを含めて、生産及び配給の管理のために凍結保存される。

既存システムにおける１つの大きな限界は、凍結及び解凍現象に関連する複雑性に起因する非一貫性である。このことは、非効率的な凍結保存によって重度に損なわれるおそれがある治療上及び安全上の制約に起因して、細胞療法にとって特に重要である。

凍結保存には、凍結防止物質の添加、冷却（凍結）、加熱（解凍）、混合のような異なるプロセスが含まれ、これらプロセスは、生物学的製品の物理化学的安定性を決定する。凍結保存はプロセスシーケンスを含んでいるため、非一貫性は最も初期段階（冷却及び凍結）から最終段階（解凍及び混合）までにわたり波及及び増幅しがちである。したがって、凍結一貫性を最大化することは、生物学的製品の凍結保存全体を最大化する上で極めて重要である。

多くの変数が凍結における非一貫性に関与し、例えば、自然対流、氷核形成温度、氷晶成長速度、過冷却、等々が関与する。２つの大きな問題は、制御するのが困難な凍結一貫性に関連し、はっきり言うと自然対流及び氷核形成に関連していた。

自然対流は、生物製剤の凍結溶質で生ずる溶質分布における不均質性（低温集中又は凍結集中）の大きな原因である。濃度勾配で引き起こされる対流は重大であることが分かっており、これはすなわち、対流が溶質を円筒状容器の底部及び中心に向かって変位させるからである。非対流性凍結ジオメトリを使用する、すなわち底部から頂部に向かって一方向に凍結させることによる氷の樹枝状結晶形成は、自然対流を減衰させる、したがって、低温集中を防止することが報告されている（非特許文献１及び２参照）。

凍結保存における他の重大な局面は、氷核形成温度及び氷核形成部位の制御である。凍結プロセスにおいて、水溶液は、氷核形成を生ずる前に融点以下の温度まで冷却する温度、過冷却として知られている条件まで冷却する傾向がある。このことは、解凍後の細胞生存能力及びひいては凍結保存の全体プロセスにおける効果を損なうと記載された。過冷却を減少するため、氷核形成を制御する幾つかの技術が提案された。低温容器外側に冷温スポットを手作業で生成することによる、電気凍結による、機械的方法（シェイキング、超音波照射）による、衝撃冷却による、又は圧力シフトによる、小さい氷晶又は異種氷核剤のサンプル内導入のような技術がある（非特許文献３参照）。

Rodrigues MA, Balzan G, Rosa M, Gomes D, de Azevedo EG, Singh SK, et al. The importance of heat flow direction for reproducible and homogeneous freezing of bulk protein solutions. Biotechnol Prog 2013;29:1212-21. doi:10.1002/btpr.1771. Rosa M, Tiago JM, Singh SK, Geraldes V, Rodrigues MA. Improving Heat Transfer at the Bottom of Vials for Consistent Freeze Drying with Unidirectional Structured Ice. AAPS PharmSciTech 2016;17:1049-59. doi:10.1208/s12249-015-0437-3. John Morris G, Acton E. Controlled ice nucleation in cryopreservation- A review. Cryobiology 2013;66:85-92. doi:10.1016/j.cryobiol.2012.11

多くの方法が提案されたにも係わらず、大部分は、無菌条件の下で高いレベルの再現性を有する多重小容積容器を標準化又は統合し、凍結保存プロセス全体にわたり細胞生存能力及び再現性を確保するのが困難である。さらに、凍結の一貫性を改善すると記載された大部分の方法は、１０ｍｌより大きい容積に適用されていた。大きい容積は、溶液の伝熱面積及び熱慣性がより大きいことに起因して、熱流束の制御をより容易にすることができる。これとは逆に、例えば、１００μｌのような小さい容積では、バイアル底部における局所的氷核形成を可能にするとともに、一方向ボトムアップ凍結を損なわない必要とされる制御は、幾つかの技術的難題に直面する。

凍結システムに関連する問題の１つは、一群の多重バイアルにおける氷核形成温度及び第１氷晶位置の再現性に関する困難な制御である。このばらつきはバイアル毎に不均一な特性を生じ、究極的に細胞保存の品質に変動を生ずることになる。本開示に基づく手法は、容器ベースを急速冷却することによって氷核形成を促進することに関連する。ベースの急速冷却を可能にするため、底部における容器熱抵抗を最小化しなければならない。このことは、熱伝導プレートと容器底部との間の接触を改善する、すなわち、双方表面間内の空気を最小限にする、水よりも低い凍結点を有する液体、ポリマー、ペースト又は粘着剤のような伝導材料を使用することによって達成することができる。非特許文献２のローザ氏らは凍結乾燥用途に対するこの方策に追従し、この場合粘着材料を容器底部に付着させて、代表的なガラス製バイアルの凹面が形成する空隙を減少させ、これにより熱伝導係数を約２倍も向上させた。効果的であるにも関わらず、非特許文献２のローザ氏らが追従したこの方策は、バイアル設計に対する大幅は変更を必要とし、構造上の多くの複雑さ及び規制当局からの検証を課されるバイアル設計に対する大幅は変更を必要とした。例えば、粘着材料は、クリーンルームにおける汚染源になるおそれがあり、また細胞凍結保存用の容器作製に使用される代表的材料と反応することもあり得る。他の重要な技術的困難性は、氷核形成及び氷成長速度に対する制御をできるようにすることにある。小さい容積において、底部における氷核形成を促進するのに必要なベースの急速冷却は、氷核形成のみである代わりにサンプルの完全に制御不能な凍結を生ずるおそれがある。溶液質量が少ない、例えば、容器質量よりも少ないとき、熱慣性は、凍結プロセスの動力学に影響を与える。

理想的には、氷核形成を速度制御される凍結から切り離すため、氷核形成中に凍結する液体分量が２０％より多くない、好適には、１０％より少なくなることを確実にしなければならず、このことは、サンプルの大部分をボトムアップ方向に制御された速度で凍結する。したがって、底部における冷却は、溶液の氷核形成を可能にするよう強くかつ短時間でなければならないとともに、過冷却条件の下制御不能に凍結する体積層をモニタリングすべきである。このことは、例えば、冷たい表面上に容器を載置することによって、相当低い（代表的には－４０℃より低い）温度までの容器ベース急冷を実施することにより、達成することができる。しかし、一群の多重容器における一貫性のある氷核形成を可能にするためには、a) すべての容器が予め冷却した熱伝導表面上に同時に載置される、及びb) 容器底部と熱伝導表面との間における接触が表面粗さ変動に無関係に等しいという、２つの規準が重大である。表面粗さ変動は、容器の底面積が小さくなるにつれて非一貫性を大きくさせる可能性がある。氷核形成を一方向ジオメトリにおける氷成長速度から切り離すためには、氷核形成イベントを生ずる前に熱拡散により過冷却する液体の高さを最小化し、これにより制御不能に凍結するサンプル量をモニタリングするよう、高さ／幅のアスペクト比が１より小さくないことが望ましい。したがって、一方向凍結用の容器は、代表的な表面粗さ変動に起因して熱伝導の一貫性を複雑にし得る底部が小さい面積を有し、例えば、２ｍｌよりも小さい容積にすると都合がよい。さらに、望ましいのは、サンプルの少ない分量（最大で２０％）のみが過冷却するとともに、残りの液体は凍結温度（ほぼ０℃）より高い温度であり、氷核形成の際における過剰氷成長を回避することである。そうしないと、サンプルの大部分（２０％より多い量）が制御不能に凍結することになる。

氷核生成は新しい相の境界における界面形成を意味する。同質氷核形成温度（純粋物質凍結温度）以上ではあるが、最大異質氷核形成温度（溶融温度）以下に冷却した液体は、過冷却されたと称される。
本開示は、上述した問題を解決することを目的とする。

本開示のこれら及び他の目的、特徴及び利点は、添付図面とともに読まれる以下の詳細な説明から明らかであろう。

本開示のよりよい理解のために添付図面を関連付け、これら添付図面は、本開示の好適な実施形態を示すが、これら実施形態は本出願の目的を限定することは意味しない。

プレスがロックダウンされた凍結デバイスの実施例における全体的斜視図を概略的に示し、ここで参照符号は以下を示す、すなわち、１００は凍結ヘッド、１０１は熱伝導表面、１０２はホルダ、１０３はプレス手段、１０４はプレス手段フレーム、１０５は操作子、１０６はヒンジ、１０７は枢動軸、１０８は圧迫器である。 プレスがロック解除された凍結デバイスの実施例における全体的斜視図を概略的に示し、ここで参照符号は以下を示す、すなわち、１００は凍結ヘッド、１０１は熱伝導表面、１０２はホルダ、１０３はプレス手段、１０４はプレス手段フレーム、１０５は操作子、１０６はヒンジ、１０７は枢動軸、１０８は圧迫器、１０９は容器である。 冷却システムを有する凍結デバイスの実施例における全体的斜視図を概略的に示し、ここで参照符号は以下を示す、すなわち、１０２はホルダ、１１０はシステム、１１１は断熱フレーム、１１２はフィン支持体、１１３は冷却剤リザーバである。 凍結デバイスの実施例における全体的斜視図を概略的に示し、ここで参照符号は以下を示す、すなわち、１０２はホルダ、１１１は断熱フレーム、１１２はフィン支持体、１１４はシステム、１１５はフィンである。 熱伝導表面の２つの実施例を概略的に示し、ここで参照符号は以下を示す、すなわち、１０１ａは平坦構成、１０１ｂは窪み構成、１１６はチャンネル、１１７は熱伝導表面の窪みである。 ホルダ構成の実施例を概略的に示し、ここで参照符号は以下を示す、すなわち、１０２ａはばね構成を有する圧縮可能手段、１１８はばね、１１９は接触層ある。 ホルダ構成の実施例を概略的に示し、ここで参照符号は以下を示す、すなわち、１０２ｂはタブ構成を有する圧縮可能手段、１１９は接触層、１２０はタブである。 ホルダ構成の実施例を概略的に示し、ここで参照符号は以下を示す、すなわち、１０２ｃはピン構成を有する圧縮可能手段、１０９は容器、１１９は接触層、１２１はピンである。 容器構成の実施例を概略的に示し、ここで参照符号は以下を示す、すなわち、１０９は容器、１２２は容器壁、１２３は容器底部である。 上述した実施形態によるデバイスで得られる１０％トレハロースを含有する水溶液の氷核形成回数に対する、熱伝導表面（図５参照）に接触促進材料を使用する（黒線）又は使用しない（破線）ときの効果を示すグラフである。 上述した実施形態によるデバイスで得られる１０％ＤＭＳＯを含有する水溶液の氷核形成回数に対する、熱伝導表面（図５参照）に接触促進材料を使用する（黒線）又は使用しない（破線）ときの効果を示すグラフである。

本開示において一方向ジオメトリは、氷フロントを選択した軸線に沿って発達及び進展させる、該軸線に沿う一方向温度勾配の創出を意味する。とくに、一方向ボトムアップジオメトリは、氷フロントを底部から頂部に向かって発達及び進展させる垂直軸線に沿う一方向温度勾配の創出を意味する。

本開示において、制御された氷核形成は、容器が熱伝導表面と接触した後、短時間インターバル内、優先的には１分未満の第１氷晶の形成に言及する。とくに、それは容器の底部表面に発生し、氷核形成の際に即座に凍結する（局所的な過冷却）液体の分量は２０％より多くあるべきでない。

或る実施形態において、凍結は、容器底部から頂部への一方向である。ホルダの低熱伝導率材料による断熱に起因して、凍結は制御された様態で達成され、他の同様技術と比較するとき、本開示における１つの利点は、凍結が半径方向でない点である。これは、バイアル内容物の凍結が、サンプルの総量に無関係に制御され、均質かつより効果的だからである。

本発明方法によって得られる１つの驚くべき効果は、凍結が同一凍結サイクルのバイアル間で均質であることである。このことは、各バイアル内容物が一様に凍結し、また同一凍結サイクルの他のバイアルと同様に凍結することを意味する。さらに、バイアルが１μｌの溶液を含むか、１００ｍｌの溶液を含むかに係わらず、凍結有効性は高い。

別の実施形態において、本開示は生物学的溶液を凍結するデバイスに関し、このデバイスは、
熱伝導表面（１０１）と、
前記生物学的溶液用の容器（１０９）を収容する窪みを有するホルダ（１０２）と、
前記ホルダ（１０２）を前記熱伝導表面（１０１）に押し付けるプレス手段（１０３）であって、前記容器（１０９）を前記熱伝導表面（１０１）との接触状態に配置し、前記熱伝導表面（１０１）からの熱を前記容器（１０９）に伝達しかつ制御下の氷核形成を可能にし、前記容器（１０９）を前記熱伝導表面（１０１）から引き離し、また前記容器（１０９）を前記熱伝導表面（１０１）との接触状態に再配置するよう構成された、該プレス手段（１０３）と、
を備え、
前記生物学的溶液の凍結はボトムアップジオメトリを有する。

或る実施形態において、前記プレス手段（１０３）は、前記ホルダ（１０２）に対向して、均等分布圧力を前記ホルダ（１０２）に印加し、好適には、手動又は機械的な均等分布圧力を前記ホルダ（１０２）に印加する圧迫器（１０８）を有することができる。

或る実施形態において、前記ホルダ（１０２）は、低熱伝導率材料で作成することができ、好適には、またより良好な結果を得るよう、前記低熱伝導率材料は、プラスチック、セラミック、又は複合材とする。

或る実施形態において、本明細書に開示した前記デバイスは、少なくとも１つの容器（１０９）を備える。

或る実施形態において、前記プレス手段は、前記容器の一部分（１２３）を前記熱伝導表面（１０１）との接触状態に配置し、前記熱伝導表面（１０１）からの熱を前記容器の一部分（１２３）に伝達し、前記容器（１０９）を前記熱伝導表面（１０１）から引き離し、また前記容器の一部分（１２３）を前記熱伝導表面（１０１）との接触状態に再配置するよう構成され、好適には、前記容器の一部分は前記容器の底部とする。

或る実施形態において、前記ホルダ（１０２）は、第１位置と第２位置との間で圧縮可能となるよう、ばね（１１８）、タブ（１２０）、又はピン（２１２）から選択される圧縮可能手段（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ）を有することができ、前記第１位置は、前記容器の底部（１２３）を前記熱伝導表面（１０１）との接触状態に配置し、また前記第２位置は、前記容器の底部（１２３）を前記熱伝導表面（１０１）から離れる状態に配置する。

或る実施形態において、前記ホルダ（１０２）は、第１位置と第２位置との間で圧縮可能な圧縮可能ホルダとすることができ、前記第１位置は、前記容器底部（１２３）を前記熱伝導表面（１０１）との接触状態に配置し、また前記第２位置は、前記容器底部（１２３）を前記熱伝導表面（１０１）から離れる状態に配置する。

或る実施形態において、前記ホルダ（１０２）は、前記熱伝導表面（１０１）の平坦形態（１０１ａ）に押し付けることができる。

或る実施形態において、前記ホルダ（１０２）は、前記熱伝導表面（１０１）の窪み形態（１０１ｂ）に押し付けることができ、前記熱伝導表面（１０１ｂ）の前記窪み（１１７）は０.５～３ｍｍの間における深さを有する陥凹である。

或る実施形態において、前記熱伝導表面（１０１）は、過剰な液体を除去するための、好適には、過剰な接触促進材料を除去するためのチャンネル（１１６）とすることができる。

或る実施形態において、前記チャンネル（１１６）は、０.５～３ｍｍの間における深さ、及び１～５ｍｍの間における幅を有することができる。

或る実施形態において、本明細書に開示したデバイスは、さらに、プレス手段フレーム（１０４）を備え、前記プレス手段フレーム（１０４）は、ヒンジ（１０６）及び操作子（１０５）を有する。

或る実施形態において、前記熱伝導表面（１０１）は、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、又はそれらの組合せから選択される伝導材料で作成することができる。

或る実施形態において、前記デバイスは、さらに、冷却剤を貯蔵するための冷却剤リザーバ（１１３）を備えることができる。

或る実施形態において、前記デバイスは、さらに、前記熱伝導表面を室温から断熱するための、またユーザーを保護するための断熱フレーム（１１１）を備えることができる。

或る実施形態において、前記デバイスは、さらに、一様な熱交換を得るためのフィン支持体（１１２）を備えることができる。

或る実施形態において、前記デバイスは、さらに、冷却剤との大きな接触面積を生ずるためのフィン（１１５）を備えることができる。

或る実施形態において、前記デバイスは、さらに、前記熱伝導表面（１０１）と前記容器（１０９）との間における残留空気を除去するための接触層（１１９）を備えることができ、前記接触層（１１９）は液体、ペースト、ペーパー、又は粘着剤とし、好適には、前記接触層（１１９）は０.１ｍｍ～３ｍｍの高さを有する。

或る実施形態において、前記容器（１０９）は、５ｍｍ～５０ｍｍの高さ及び４ｍｍ～１０ｍｍの直径を有することができる。

或る実施形態において、前記容器は、１より大きい高さ／幅アスペクト比を有することができる。

或る実施形態において、容器壁（１２２）は０.４ｍｍ～２ｍｍの厚さを有することができ、また前記容器底部（１２３）は０.２ｍｍ～２ｍｍの厚さを有することができる。

或る実施形態において、前記容器壁（１２２）及び前記容器底部（１２３）は異なる材料で作成する。

或る実施形態において、前記容器壁（１２２）は、ポリマー、セラミック、ガラス、又は他の低熱伝導材料で作る。

或る実施形態において、前記容器底部（１２３）は、ステンレス鋼、アルミニウム若しくはその他のような高伝導率材料で造作する、又はポリマー、ガラス若しくはその他のような低伝導材料を用いて作成する。

或る実施形態において、前記デバイスは凍結デバイスである。

本開示は、本明細書に開示したデバイスを動作させる方法に関し、この方法は以下のステップ、すなわち、
デバイスを予冷却するステップと、
生物学的溶液を収納する容器（１０９）をホルダ（１０２）内に配置するステップと、
前記容器の底部（１２３）を熱伝導表面（１０１）に対してプレス手段（１０３）を用いて接触させるステップと、
前記容器（１０９）を前記熱伝導表面（１０１）との接触から引き離すステップと、
前記容器底部（１２３）を前記熱伝導表面（１０１）に対して前記プレス手段（１０３）を用いて再配置するステップと、
前記生物学的溶液の凍結がボトムアップジオメトリを有するよう制御した凍結速度を設定するステップと、
を備える。

或る実施形態において、前記容器内における前記生物学的溶液の前記制御した凍結速度が、０.１℃／分～１００℃／分、好適には０.５℃／分～１０℃／分、さらに好適には１℃／分～５℃／分であるようにすることができる。

或る実施形態において、前記デバイスを予冷却するステップは、－２０℃より低い、好適には－３０℃より低い、より好適には－４０℃より低い温度で実施することができる。

或る実施形態において、前記容器（１０９）を前記熱伝導表面（１０１）から引き離すステップは、生物学的溶液を約０℃の温度に維持しつつ、前記容器（１０９）を前記熱伝導表面（１０１）から引き離し、好適には、０.１ｍｍ～１５ｍｍの空隙を生ずるよう配置することによって実施することができる。

或る実施形態において、前記容器（１０９）を前記熱伝導表面（１０１）に再接触させるステップは、前記ホルダ（１０２）を前記熱伝導表面（１０１）に押し付けて前記容器（１０９）を前記熱伝導表面（１０１）との接触状態に配置することによって実施することができる。

或る実施形態において、前記生物学的溶液は、微生物、組織、生体細胞、幹細胞、初代（プライマリ）細胞、細胞株、生ウイルス若しくは弱毒化ウイルス、核酸、モノクローナル（単クローン）抗体、ポリクローナル抗体、生体分子、非ペプチド類似体、ペプチド、タンパク質、ＲＮＡ、ＤＮＡ、オリゴヌクレオチド、ウイルス粒子、又はそれらの組合せを有することができる。

本開示は、さらに、以下に開示する方法に従って凍結された生物学的溶液に関する。

或る実施形態において、本開示は、サンプル溶液のボトムアップジオメトリ凍結する及び／又は氷核形成するための方法に関し、前記方法は、以下のステップ、すなわち、
デバイスを前記溶液の氷核形成温度より相当低い温度まで予冷却するステップであって、前記デバイスは、底部における熱伝導表面及びプレス手段を有するものである、該ステップと、
生物学的溶液を収納する容器をホルダ内に配置するステップであって、前記ホルダは、低熱伝導率材料より成るものである、該ステップと、
前記サンプルの総量における１０％の分量が凍結するまで、前記容器を前記熱伝導表面に接触させるステップと、
前記容器と前記熱伝導表面との間の接触を中断するステップと、
前記生物学的溶液の凍結が均質になるよう所定凍結速度で前記容器を前記熱伝導表面に接触させるステップと、
最終的に前記溶液の全量が凍結するまで凍結させるステップと
を備える。

他の実施形態において、本開示は、複数のサンプルを有する方法に関する。

別の実施形態において、本開示は、前記容器内における前記生物学的溶液の前記制御された凍結速度が、０.１℃／分～１００℃／分、好適には０.５℃／分～１０℃／分、より好適には１℃／分～５℃／分である方法に関する。

別の実施形態において、本開示は、前記デバイスを予冷却するステップが、－２０℃より低い、好適には－３０℃より低い、より好適には－４０℃より低い温度で実施する方法に関する。

別の実施形態において、本開示は、前記容器と前記熱伝導表面との間における接触を中断するステップが、生物学的溶液を約０℃の温度に維持しつつ、前記容器を前記熱伝導表面から引き離し、好適には、０.１ｍｍ～１５ｍｍの空隙を生ずるよう配置することによって実施する方法に関する。

別の実施形態において、本開示は、所定凍結速度で前記容器を前記熱伝導表面に接触させるステップが、前記ホルダを前記熱伝導表面に押し付けて前記容器を前記熱伝導表面との接触状態に配置することによって実施する方法に関する。

別の実施形態において、本開示は、前記生物学的溶液が、微生物、組織、生体細胞、幹細胞、初代（プライマリ）細胞、細胞株、生ウイルス若しくは弱毒化ウイルス、核酸、モノクローナル（単クローン）抗体、ポリクローナル抗体、生体分子、非ペプチド類似体、ペプチド、タンパク質、ＲＮＡ分子、ＤＮＡ分子、オリゴヌクレオチド、ウイルス粒子、又はそれらの組合せを有する方法に関する。

別の実施形態において、本開示は、ボトムアップジオメトリ凍結及び／又はサンプル溶液の氷核形成するためのデバイスに関し、前記デバイスは、以下のもの、すなわち、
底部における熱伝導表面と、
容器のための少なくとも１つのキャビティを有し、低熱伝導率材料より成るホルダと、
前記容器を前記熱伝導表面との接触状態に配置し、前記熱伝導表面からの熱を前記容器に伝達させ、前記容器を前記熱伝導表面から引き離し、また前記容器を前記熱伝導表面に再接触させる、よう構成されたプレス手段と、
を備え、
前記熱伝導は前記容器の底部から実施して、制御された氷核形成を可能にする、該デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記プレス手段が、前記ホルダに対向して、均等分布圧力を前記ホルダに印加し、好適には、手動又は機械的な均等分布圧力を前記ホルダに印加する圧迫器を有する、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記低熱伝導率材料がプラスチック、セラミック、又は複合材である、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、少なくとも１つの容器を備えるデバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記プレス手段が、前記容器の一部分を前記熱伝導表面との接触状態に配置し、前記熱伝導表面からの熱を前記容器の一部分に伝達し、前記容器を前記熱伝導表面から引き離し、また前記容器の一部分を前記熱伝導表面との接触状態に再配置するよう構成され、好適には、前記容器の一部分は前記容器の底部である、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記ホルダが、第１位置と第２位置との間で圧縮可能となるよう、ばね、タブ、又はピンから選択される圧縮可能手段を有し、前記第１位置は前記容器の底部を前記熱伝導表面との接触状態に配置し、また前記第２位置は前記容器の底部を前記熱伝導表面から離れる状態に配置する、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記ホルダが、第１位置と第２位置との間で圧縮可能な圧縮可能ホルダであり、前記第１位置は前記容器底部を前記熱伝導表面との接触状態に配置し、また前記第２位置は前記容器底部を前記熱伝導表面から離れる状態に配置する、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記ホルダが前記熱伝導表面の平坦形態に押し付けられる、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記ホルダが、前記熱伝導表面の彫り込み形態に押し付けられ、好適には、前記熱伝導表面の前記彫り込み平坦形態は０.５～３ｍｍの間における深さを有する陥凹である、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記熱伝導表面が、過剰な液体を除去するための、好適には、過剰な接触促進材料を除去するためのチャンネルを有する、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、ヒンジ及び操作子を有するプレス手段フレームを備える、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記熱伝導表面が、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、又はそれらの組合せから選択される伝導材料で作成される、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、冷却剤を貯蔵するための冷却剤リザーバを備える、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記熱伝導表面を室温から断熱するための、またユーザーを保護するための断熱フレームを備える、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、露出面積により一様な熱交換を得るためのフィン支持体を備える、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、冷却剤との接触面積を増大させるためのフィンを備える、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記熱伝導表面と前記容器との間における残留空気を除去するための接触層を備える、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記接触層が液体、ペースト、ペーパー、又は粘着剤であり、好適には、前記接触層は０.１ｍｍ～３ｍｍの高さを有する、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記容器が１より大きい高さ／幅アスペクト比を有する、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記容器壁及び前記容器底部が異なる材料で作成される、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記容器壁が、ポリマー、セラミック、ガラス、又は他の低熱伝導材料で作成される、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記容器底部が、ステンレス鋼、アルミニウム若しくはその他のような高伝導率材料で作成される、又はポリマー、ガラス若しくはその他のような低伝導材料を用いて造作される、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、前記デバイスが凍結デバイスである、デバイスに関する。

別の実施形態において、本開示は、本開示により凍結される生物学的溶液に関する。

＜詳細な説明＞
上述したように、生物学的材料及び溶液のような繊細物質の凍結保存における１つの大きな限界は、凍結及び解凍現象に関連する非一貫性である。多くの変数が凍結における非一貫性に関与し、２つの大きな問題は自然対流及び氷核形成に関連していた。

本明細書において、好適には、２ｍｌより少ない小容積に対する再現性が高く、一群の容器内での一方向ボトムアップ凍結を可能にする新規なデバイス及び方法を開示する。

さらに、一群の小容積容器内での一方向ボトムアップ凍結を可能にする方法を開示し、この方法は、以下のステップ、すなわち、熱伝導表面を低温（例えば、－４０℃より低い温度）に予冷却するステップと、ホルダ内に多重容器をセットし、前記ホルダを前記熱伝導表面に向けて押圧してすべての容器を同時に冷表面に接触させるステップと、制御された氷核形成を可能にするため中間接触促進材料（例えば、液体又はポリマー）を使用するステップと、僅かな体積層の氷核形成後に、前記ホルダ及び前記容器を前記冷表面から離れた位置にセットするステップと、最終的に一方向ボトムアップジオメトリで氷成長速度を制御しつつ前記ホルダを前記冷表面に押し付けるステップと、を備える。

したがって、上述した方法を遂行するよう本明細書に記載する、液体生物学的溶液又は懸濁液である生物学的溶液を凍結するデバイスは、容器に下降力を強制的に加えて熱伝導表面をロックダウン位置に合わせるドライバを備える。氷核形成プロセスは、氷核形成中に凍結する液体の分量が全量の２０％より多くならないのを確実にするため中間接触促進剤を用いて、容器が熱伝導表面に同時に押し付けられるとき、スタートする。このとき、氷核形成イベントが発生した後液体が制御不能に凍結するのを回避するため、ドライバはロックアップ位置にセットされ、また容器は０.１ｍｍ～１５ｍｍまでの空隙を生じて熱伝導表面から離れるスタンバイ位置をとる。最終的に、制御した氷成長速度の下で一方向ボトムアップ凍結を促進するため、ドライバを再び押し下げ、容器底部の熱伝導表面との接触を促進し、また生物学的材料の熱感度に基づいて代表的には０.１℃／分～１００℃／分で熱伝導表面を冷却することによって選択した凍結速度を適用する。

上述した方法を遂行するよう本明細書に記載する、生物学的溶液を凍結するデバイスは以下の要素を備え、すなわち、熱伝導表面（１０１）を有する凍結ヘッド（１００）は、容器（１０９）が嵌合される収容キャビティを有するホルダ（１０２）を有し、またさらに、プレス手段（１０３）も有することができる。凍結置台は、異なる形態を呈することができ、また幾つかの冷却剤及び／又は他の既知の冷却システムを使用することができるシステム（１１４）装置に連結する。凍結ヘッド及び冷却システムの装置は、容器及び／又は図３の実施例におけるような断熱材が関連する形態を呈することができる。

図１～９に示すが、本出願の目的を限定することは意図していない或る実施形態において、生物学的材料の凍結及び／又は解凍、貯蔵及び輸送するプロセスによって保存するデバイスを示す。

或る実施形態において、容器（１０９）は、これら凍結及び／又は解凍、貯蔵及び輸送中に生物学的サンプルを保持する。それら容器は、とくに、すべてのプロセス中にサンプルを安全に維持するよう生物学的に安全な材料を用いて造作する。容器（１０９）は、ホルダ（１０２）のキャビティ、異なる量のサンプル及び所望の異なる熱的プロセスに適合するよう設計する。容器（１０９）の仕様は、特別な熱交換プロセス全体が考慮される。容器（１０９）は、１より大きいアスペクト比（高さ／幅）で、５ｍｍ～５０ｍｍの高さ及び４ｍｍ～１０ｍｍの直径を有することができる。容器壁（１２２）は０.４ｍｍ～２ｍｍの厚さを有することができ、また容器底部（１２３）は０.２ｍｍ～２ｍｍの異なる厚さにすることができる。

或る実施形態において、本出願が提案する一方向凍結プロセスを維持するため、容器壁（１２２）及び容器底部（１２３）は異なる材料とすることができる。容器壁（１２２）は、ポリマー、セラミック、ガラス、又は他の低熱伝導材料により造作し、容器（１０９）から側方表面への低伝導率を維持できるようにする。容器底部（１２３）は、ステンレス鋼、アルミニウム若しくはその他のような高伝導率材料で造作し、又はポリマー、ガラス若しくはその他のような低伝導材料を用いて造作することができる。容器（１０９）の底部は、採用される特定熱交換に対して推定される熱力学に基づいて、低い又は高い熱伝導係数を有することができる。材料間の相違は、とくに、少量サンプルで凍結するとき、容器壁（１２２）から大きな影響をうけることがなく、垂直方向に駆動される熱流束勾配を得るのを容易にすることができ、これはすなわち、サンプル体積に比べると容器（１０９）からの質量比が重要であるからである。

或る実施形態において、冷却システム（１１４）は、凍結ヘッド（１００）並びに熱伝導表面（101）及び容器（１０９）における温度を制御することを可能にする他の要素によって代表される。統合的パーツは、冷却システム（１１４）により制御駆動される熱流束を創出するのに使用される任意な電子機器、機械的又は機械加工されたものとすることができる。図４において、冷却システムセットアップの例を示す。フィン（１１５）は、ドライアイス、液体窒素又は他のものとすることができる冷却剤間で熱を伝達する。冷却剤は、冷却剤リザーバ（１１３）に貯蔵される。フィン支持体（１１２）はフィン（１１５）に直接取り付け、また容器（１０９）及びホルダ（１０２）が熱伝導表面（１０１）と接触状態にされたとき温度変動を回避するのに役立つ。容器（１０９）が熱伝導表面（１０１）に接触するとき、熱伝導表面（１０１）からの慣性は、容器（１０９）内部の全量のうち２０％未満のサンプル少量層を凍結するとともに、熱交換中に熱伝導表面（１０１）は温度を上昇する。容器（１０９）における第１氷層形成中に熱伝導表面（１０１）からの温度が上昇したため、氷成長はより緩慢になり、フィン支持体（１１２）の温度によって制御される。

或る実施形態において、いわゆる熱伝導表面（１０１）と称される水平プレートを常に有する凍結ヘッド（１００）は、生物学的溶液を容れる容器（１０９）又は容器（１０９）を導入するホルダ（１０２）を収容する特別な形態に造作される。凍結ヘッド（１００）及びそれに対応して含まれるパーツ及び実施形態は、冷却システム（１１４）から熱伝導表面（１０１）経由で通過し、最終的に容器底部（１２３）に達する熱伝導流束を制御する特別な特性に設計される。図１及び図２に示した、熱伝導表面（１０１）から容器（１０９）までに至る熱伝達を高める１つのあり得る形態は、容器（１０９）を熱伝導表面（１０１）に強制的に密着させ、これらの間における全空隙を垂直方向に遮断するプレス手段（１０３）の存在に起因する。

或る実施形態において、熱伝導表面（１０１）は、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、又はその他のような伝導材料で作成され、その寸法は、異なるサイズを有することもできる１つの容器（１０９）若しくは幾つかの容器又はホルダ（１０２）を収容できるよう変動し得る。熱伝導表面（１０１）のサイズは、上側表面が収容される品目のタイプ及び個数に基づいて１ｃｍ^２～１５０ｃｍ^２の面積を有することができるようにする。熱伝導表面（１０１）の厚さは、１ｍｍから４ｍｍに至るまでのものとすることができる。熱伝導表面（１０１）は、矩形形状の実施形態で示されるが、デバイスの設計に応じて任意な他の形状をとることができる。しかしながら、特定形態の熱伝導表面（１０１）の寸法は、デバイス全体からの特性を考慮して、既知の大域的熱伝導率及び慣性を有することができるものとする。熱伝導表面（１０１）は、ねじ、任意なタイプの接着剤又はペーストによって冷却システム（１１４）に取り付けることができる。他のロック手段によって案内又は圧縮されることもできる。

或る実施形態において、熱伝導表面（１０１）と容器（１０９）又はホルダ（１０２）との間における残留空気を除去するため、液体、ペースト、ペーパー、粘着剤又は両者間の空隙を除去する他の手段を使用することができる。この特徴は、熱伝達を向上させ、また均質にする。粘着剤又はペーストの場合、接触層（１１９）として容器（１０９）又はホルダ（１０２）に追加することができる。この接触層からの高さは０.１ｍｍ～３ｍｍの高さとなり得る。さらに、非固形接触層の場合、高さは固定にすることができ、また容器（１０９）又はホルダ（１０２）は、浸漬されたまま熱伝導表面（１０１）に対して接近又は遠ざかる移動をして、プロセス中の熱流束からの範囲を変化させることができる。

ここで、限定的ではないが、熱伝導表面（１０１）の形態の２つの例としては、平坦形態（１０１ａ）又は窪み形態（１０１ｂ）がある。本明細書記載の窪みバージョン（１０１ｂ）は、熱伝導表面（１０１）と容器（１０９）との間における特定流体高さを維持することを目的とする、チャンネル（１１６）及び熱伝導表面の窪み（１１７）を有することができる。熱伝導表面の窪み（１１７）は、使用する流体の特定高さの層を保持する最終的状態を有する。ユーザーが熱伝導表面の窪み（１１７）を過剰充填する場合、過剰流体はチャンネル（１１６）によって漏洩して所望流体高さを維持する。熱伝導表面の窪み（１１７）の陥凹は、０.５～３ｍｍの間における深さを有する陥凹である。チャンネル（１１６）は、過剰流体を熱伝導表面の窪み（１１７）から除荷し、また流体を熱伝導表面（１０１）の外側面におけるシンク孔に案内し、過剰流体はデバイスの他のシンク孔ガイドに移行することができる。チャンネル（１１６）は、０.５～３ｍｍの間における深さ、及び１～５ｍｍの間における幅を有することができる。

或る実施形態において、ホルダ（１０２）は、容器（１０９）を収容するよう設計し、また収容される容器（１０９）のタイプに基づいて異なるキャビティ設計及びサイズを有することができる。さらに、この形態は、使用する容器（１０９）の個数、及び使用する熱伝導表面（１０１）の形態に対して異なることができる。ホルダ（１０２）を造作するのに使用する材料は、容器（１０９）の側部及び頂部を断熱するため低熱伝導率を有する、プラスチック、セラミック、複合材又は他の材料とすることができる。ホルダ（１０２）は、幾つかの機能性を持つ任意な他の材料から成る実施形態を有することができる。

ホルダ（１０２）からの３つの実施例を図６、図７及び図８に示す。これら実施例は、容器（１０９）を熱伝導表面（１０１）に押し付ける精密な時点を制御する可能性を想定する。これらは容器（１０９）を熱伝導表面（１０１）に圧迫するためのプレス手段の作動システムとともに使用するよう設計される。限定的ではないが、空気が接触層（１１９）の実施形態を用いて除去されるこれらの実施例において、他の事例ではこれを、例えば、ホルダ（１０２）又は熱伝導表面（１０１）に適用される液体又はその他とすることができる接触促進材料で置き換えることができる。接触層（１１９）は、ホルダ（１０２）に直接追加されるとき、任意な粘着剤で作成することができる、又はテフロン、ポリマー若しくはその他のものに接着することができる。この層の厚さは、０.１ｍｍから２ｍｍまでの範囲にわたることができる。しかし、これにより付加される付加的熱抵抗は、全体的熱流束デバイスを考慮しなければならない。

或る実施形態において、ばね形態を有するホルダ（１０２ａ）では、ばね（１１８）からの機械的抵抗によって、ロックアップ（図２）位置からスタートする準備状態に容器（１０９）を維持する。プレス手段（１０３）が容器（１０９）に対してばね弾性力に打ち勝つのに十分な下降力を強制的に加えるとき、この手段は熱伝導表面（１０１）をロックダウン（図１）位置に合わせ、また熱的プロセスをスタートする。ロックアップ（図２）位置にあるとき圧縮可能なホルダ（１０２）は熱伝導表面（１０１）からの距離を有することができ、この距離は、０.１から１０ｍｍまでにわたることができ、ロックダウン位置（図１）にあるとき、この距離は実質的には０ｍｍとなる。この形態は、ホルダ（１０２）自体からの延長部とすることができるばね（１１８）を有し、付加的実施形態では金属、ポリマー又はその他で作成される。ばね（１１８）の直径は、３ｍｍから１０ｍｍに至るまでの異なるものとすることができ、また幾つかの形態及び個数で配置することができる。ホルダ（１０２）の底部表面から移動するばね（１１８）の延長部は、０.１ｍｍから１０ｍｍまでにわたり変化することができ、またホルダ（１０２）から熱伝導表面（１０１）までの初期距離を制御する。

或る実施形態において、タブ形態を有するホルダ（１０２ｂ）では、タブ（１２０）からの機械的抵抗によって、ロックアップ（図２）位置からスタートする準備状態に容器（１０９）を維持する。プレス手段（１０３）が容器（１０９）に対してタブ弾性力に打ち勝つ又はタブを破壊させるのに十分な下降力を強制的に加えるとき、この手段は熱伝導表面（１０１）をロックダウン（図１）位置に合わせ、また熱的プロセスをスタートする。ロックアップ（図２）位置にあるときホルダ（１０２）は熱伝導表面（１０１）からの距離を有することができ、この距離は、０.１から１０ｍｍまでにわたることができ、ロックダウン位置（図１）にあるとき、この距離は実質的には０ｍｍとなる。この形態は、ホルダ（１０２）自体からの延長部とすることができるタブ（１２０）を有し、付加的実施形態では金属、ポリマー又はその他で作成される。タブ（１２０）の幅は、２ｍｍから１０ｍｍに至るまでの異なるものとし、長さは４ｍｍから１５ｍｍに至るまでのものとすることができ、またタブ（１２０）は、幾つかの形態及び個数で配置することができる。ホルダ（１０２）の底部表面から移動するタブ（１２０）の延長部は、０.１ｍｍから１０ｍｍまでにわたり変化することができ、またホルダ（１０２）から熱伝導表面（１０１）までの初期距離を制御する。

或る実施形態において、ピン形態を有するホルダ（１０２ｃ）では、ロックアップ（図２）位置にあるとき、ピン（１２１）からの機械的抵抗に打ち勝ち、プロセス中にこれらピンを破壊又は撓ませる下降力を容器（１０９）に加える。ピンは、ホルダ（１０２）におけるキャビティ内に任意な個数又は形態で配置することができ、またホルダの一部とすることができる、又は付加的実施形態では任意なポリマー金属、若しくはその他で作成することができ、スタンバイ位置に維持する任意な他のプロセスによって接着、被覆若しくは付加される。ピン（１２１）は破壊可能な場合に使い捨て可能とすることができる、又は可撓性である場合には数回の使用を可能にし得る。容器（１０９）底部から接触層（１１９）又は熱伝導表面（１０１）までの距離は、形態に基づいて０.１ｍｍから１０ｍｍまでにわたる距離とすることができる。

或る実施形態において、プレス手段（１０３）は、形態に基づいて、容器（１０９）を熱伝導表面（１０１）又は接触層（１１９）に圧迫するよう機械的に作動する。ドライバは、図１及び図２にそれぞれロックダウン及びロックアップ位置として示される２つの位置をとる。プレス手段（１０３）をロックアップ位置（図２）にセットするとき、容器（１０９）は冷熱伝導表面（１０１）から空隙により離れたスタンバイ位置をとり、この空隙は０.１ｍｍから１０ｍｍまでにわたり異なることができる。ドライバがロックダウン（図１）位置にあるとき、既存の空隙は垂直方向に除去される。このことは、容器（１０９）と熱伝導表面（１０１）との間に存在する接触層（１１９）又は任意な流体、ペースト、粘着剤若しくはその他により可能である。図１及び図２においては、プレス手段（１０３）を作動させる手動形態のみを示す。プレス手段（１０３）は、さらに、電気的に制御される機械的アクチュエータによって動作させることもできる。図１及び図２に実施例おいて、圧迫器（１０８）は、容器（１０９）に当接する面積を輪郭付けする重量のある部材であり、すべての容器（１０９）を十分分散した圧力ゾーンに達せしめることを可能にする。この実施例において、圧迫器（１０８）は、プレス手段（１０３）がロックダウン位置（図１）に移動する間に、圧迫器（１０８）をすべての容器（１０９）に揃うよう調整できる枢動軸（１０７）によって支持する。プレス手段フレーム（１０４）の設計とともに、この枢動軸（１０７）の位置は、この機構からの下降力印加中に圧迫器（１０８）を強制的に水平位置に留める。プレス手段フレーム（１０４）及び枢動軸（１０７）によるこの形態は、すべてのキャビティが容器（１０９）を装填されていない場合でも、ホルダ（１０２）の通常使用を可能にする機械的止部を有する。さらに、この機構のあり得る形態として、ヒンジ（１０６）及び操作子（１０５）も示す。

本開示の他の態様は、上述したデバイスを用いることで生物学的溶液を凍結する方法に関し、この方法は、以下のステップ、すなわち、
熱伝導表面（１０１）を低温（例えば、－４０℃より低い温度）に予冷却するステップと
ホルダ（１０２）内に少なくとも１つの容器（１０９）を配置し、またプレス手段（１０３）で前記ホルダ（１０２）をロックダウン位置に押し付けることによって熱伝導表面（１０１）内ですべての容器の底部を同時に接触させて、制御された氷核形成を可能にするステップと、
僅かな体積層（≦全量の２０％）の氷核形成後に、プレス手段（１０３）をロックアップ位置にセットし、氷核形成後に液体分量が制御不能に凍結するのを回避するため、生物学的溶液を約０℃の温度に維持しつつ、０.１ｍｍ～１５ｍｍまでの空隙だけ熱伝導表面（１０１）から離間したスタンバイ位置をホルダ（１０２）がとるようにするステップと、
プレス手段（１０３）をロックダウン位置にセットし、ホルダ（１０２）を熱伝導表面（１０１）に押し付け、容器の底部（１２３）の冷熱伝導表面（１０１）に対する接触を促進するステップと、
デバイスを制御した凍結速度にセットし、一方向ボトムアップ凍結ジオメトリを促進するステップと、
を備える。

本開示の重要な態様は、すべての容器内での制御された機械な氷核形成を促進するよう容器底部（１２３）と熱伝導表面（１０１）との間における良好な接触を得ることである。したがって、氷核形成を誘発する冷却源として、平坦形態（１０１ａ）及び窪み形態（１０１ｂ）を有する熱伝導表面（１０１）を使用することができる。窪み形態（１０１ｂ）は、上述したように、接触促進材料（例えば、液体又はポリマー）を特定高さで充填できるため、熱伝導表面（１０１）と容器（１０９）との間の熱伝達を改善する。この窪み形態（１０１ｂ）は、すべての容器が、使用する容器の個数に無関係に同一高さの接触促進材料を有することを可能にする。

以下に、接触促進材料の使用又は不使用での凍結プロセス中に異なる水溶液の氷核形成時間に関連して別の実施例を詳述する。

或る実施形態において、６ｍｍの液体高さに充填した幾つかの容器を上述したホルダ（１０２）に配置し、またプレス手段（１０３）によって熱伝導表面（１０１）に押し付けた。この実験的検定のために２つの異なる水溶液、すなわち、１０％トレハロース溶液（図１０）及び１０％ＤＭＳＯ溶液（図１１）を使用した。

図１０及び１１は、６ｍｍの液体高さを有する容器内における２つの水溶液の氷核形成時間の代表的範囲を示す。図１０で分かるように、氷核形成プロセスに接触促進材料を使用するとき、すべてのサンプルは１～２０秒の範囲内で氷核形成をする一方で、接触促進材料を使用しないときにはこの範囲が２６～６７秒まで増大する。トレハロース溶液の氷核形成（図１０）を見ると、接触促進材料を使用するサンプルの６６％が５秒（５～１０秒）の範囲内で氷核形成をする一方で、接触促進材料なしでの氷核形成時間分布は、２５秒（３２～５７秒）の範囲に広がる。同様の結果は１０％ＤＭＳＯ溶液（図１１）の氷核形成でも観察され、この場合、接触促進材料を使用すると氷核形成はより速く（５～２０秒）、より短い時間範囲内で生ずることが分かる。

或る実施形態において、本発明の方法及びデバイスは、生物学的サンプルの凍結のみならず、解凍にも使用される。

したがって、平坦形態及び接触促進材料がない熱伝導表面の使用からくる広い氷核形成時間スペクトルと比較すると、特定高さの接触促進材料を有する窪み形態はより高度な氷核形成制御をもたらし、これは凍結した溶液の他の性能的側面及び特性に影響を及ぼしそうである。

本開示の他の重要な態様は、氷核形成を制御された速度の凍結から切り離すことである。この目的のために、氷核形成ステップにおいて凍結する液体の分量が２０％よりも多くない、好適には、１０％より多くないようにすることを確実にする必要があり、このとき残りの液体分量は制御された速度で凍結する。僅かな分量の溶液における氷核形成後に、溶液が制御不能に凍結し続けないよう、サンプルを熱伝導表面から退去させる必要がある。したがって、氷核形成に要する時間経過後、サンプルは熱伝導表面から僅かに離間させ、これにより、予氷核形成溶液分量は凍結したままにし、また液体分量はほぼ０℃にしておく。最終的に、すべてのサンプルが凍結した溶液分量及び同一温度（０℃）での残存液体を有する状態で、これらを制御した凍結速度を適用する一方向ボトムアップ様態で凍結することができる。

本明細書で使用される用語「備える（comprising）」は、記述した特徴、整数、ステップ、コンポーネントの存在を示すことを意図するが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップ、コンポーネント又はそれらのグループの存在又は付加を排除しないことを意図する。

当業者には当然のことながら、他を示さない限り、記載したステップの特定シーケンスは単なる説明に過ぎず、開示から逸脱することなく変化することができる。したがって、他を明示しない限り、記載したステップは順序どおりでないことを意味し、可能であれば、ステップは、任意な都合のよい又は望ましい順序で実施することができる。

本開示は記載した実施形態に限定されると見るべきではなく、当業者であれば、それらに対する変更に多くの可能性があることを予想するであろう。

上述した実施形態は組合せ可能である。特許請求の範囲は、さらに、本開示の特別な実施形態を明確化する。

Claims (31)

1. デバイスを溶液の核形成温度より実質的に低い温度まで予冷却するステップであり、前記デバイスは、底部における熱伝導表面及びプレス手段を有するものである、ステップと、
   生物学的溶液を収納する容器をホルダ内に配置するステップであり、前記ホルダは、低熱伝導率材料を含む、ステップと、
   サンプルの総量における１０％の分量が凍結するまで、前記容器を前記熱伝導表面に接触させるステップと、
   前記容器と前記熱伝導表面との間の接触を中断するステップと、
   前記生物学的溶液の凍結が均質になるよう所定凍結速度で前記容器を前記熱伝導表面に接触させるステップと、
   前記溶液の全量が凍結するまで凍結させるステップと、
   を含む、サンプル溶液をボトムアップジオメトリ凍結し及び／又は核形成するための方法。
2. 請求項１記載の方法において、複数のサンプルを含む、方法。
3. 請求項１又は２記載の方法において、前記容器内における前記生物学的溶液の制御された凍結速度は、０.１℃／分～１００℃／分、好適には０.５℃／分～１０℃／分、より好適には１℃／分～５℃／分である、方法。
4. 請求項１～３のうちいずれか１項記載の方法において、前記デバイスを予冷却するステップは、－２０℃より低い、好適には－３０℃より低い、より好適には－４０℃より低い温度で実施する、方法。
5. 請求項１～４のうちいずれか１項記載の方法において、前記容器と前記熱伝導表面との間における接触を中断するステップは、生物学的溶液を約０℃の温度に維持しつつ、前記容器を前記熱伝導表面から引き離し、好適には、０.１ｍｍ～１５ｍｍの空隙を生ずるよう配置することによって実施する、方法。
6. 請求項１～５のうちいずれか１項記載の方法において、所定凍結速度で前記容器を前記熱伝導表面に接触させるステップは、前記ホルダを前記熱伝導表面に押し付けることで前記容器を前記熱伝導表面との接触状態に配置することによって実施する、方法。
7. 請求項１～６のうちいずれか１項記載の方法において、前記生物学的溶液は、微生物、組織、生体細胞、幹細胞、初代細胞、細胞株、生ウイルス若しくは弱毒化ウイルス、核酸、モノクローナル抗体、ポリクローナル抗体、生体分子、非ペプチド類似体、ペプチド、タンパク質、ＲＮＡ分子、ＤＮＡ分子、オリゴヌクレオチド、ウイルス粒子、又はそれらの組合せを有する、方法。
8. 請求項１～７のうちいずれか１項記載の方法を実施するためのデバイスであって、
   底部における熱伝導表面と、
   容器のための少なくとも１つのキャビティを有し、低熱伝導率材料を含むホルダと、
   前記容器を前記熱伝導表面との接触状態に配置し、前記熱伝導表面からの熱を前記容器に伝達させ、前記容器を前記熱伝導表面から引き離し、また前記容器を前記熱伝導表面に再接触させる、よう構成されたプレス手段と、
   を備え、
   前記熱伝導は前記容器の前記底部から実施して、制御された核形成を可能にする、デバイス。
9. 請求項８記載のデバイスにおいて、前記プレス手段は、前記ホルダに対向して、均等分布圧力を前記ホルダに印加し、好適には、手動又は機械的な均等分布圧力を前記ホルダに印加する圧迫器を有する、デバイス。
10. 請求項８又は９記載のデバイスにおいて、前記低熱伝導率材料は、プラスチック、セラミック、又は複合材である、デバイス。
11. 請求項８～１０のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、少なくとも１つの容器を備える、デバイス。
12. 請求項８～１１のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、前記プレス手段は、前記容器の一部分を前記熱伝導表面との接触状態に配置し、前記熱伝導表面からの熱を前記容器の一部分に伝達し、前記容器を前記熱伝導表面から引き離し、また前記容器の一部分を前記熱伝導表面との接触状態に再配置するよう構成され、好適には、前記容器の前記一部分は前記容器の前記底部である、デバイス。
13. 請求項８～１２のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、前記ホルダは、第１位置と第２位置との間で圧縮可能となるよう、ばね、タブ、又はピンから選択される圧縮可能手段を有し、前記第１位置は前記容器の前記底部を前記熱伝導表面との接触状態に配置し、また前記第２位置は前記容器の前記底部を前記熱伝導表面から離れる状態に配置する、デバイス。
14. 請求項８～１３のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、前記ホルダは、第１位置と第２位置との間で圧縮可能な圧縮可能ホルダであり、前記第１位置は前記容器の前記底部を前記熱伝導表面との接触状態に配置し、また前記第２位置は前記容器の前記底部を前記熱伝導表面から離れる状態に配置する、デバイス。
15. 請求項８～１４のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、前記ホルダは前記熱伝導表面の平坦形態に押し付けられる、デバイス。
16. 請求項１～８のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、前記ホルダは、前記熱伝導表面の彫り込み形態に押し付けられ、好適には、前記熱伝導表面の彫り込み平坦形態は０.５～３ｍｍにおける深さを有する陥凹である、デバイス。
17. 請求項１６記載のデバイスにおいて、前記熱伝導表面は、過剰な液体を除去するための、好適には、過剰な接触促進材料を除去するためのチャンネルを有する、デバイス。
18. 請求項８～１７のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、ヒンジ及び操作子を有するプレス手段フレームを備える、デバイス。
19. 請求項８～１８のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、前記熱伝導表面は、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、又はそれらの組合せから選択される伝導材料で作成される、デバイス。
20. 請求項８～１９のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、冷却剤を貯蔵するための冷却剤リザーバを備える、デバイス。
21. 請求項８～２０のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、前記熱伝導表面を室温から断熱するための、またユーザーを保護するための断熱フレームを備える、デバイス。
22. 請求項８～２１のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、露出面積により一様な熱交換を得るためのフィン支持体を備える、デバイス。
23. 請求項２２記載のデバイスにおいて、冷却剤との接触面積を増大させるためのフィンを備える、デバイス。
24. 請求項８～２３のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、前記熱伝導表面と前記容器との間における残留空気を除去するための接触層を備える、デバイス。
25. 請求項２４記載のデバイスにおいて、前記接触層は液体、ペースト、ペーパー、又は粘着剤であり、好適には、前記接触層は０.１ｍｍ～３ｍｍの高さを有する、デバイス。
26. 請求項８～２５のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、前記容器は１より大きい高さ／幅アスペクト比を有する、デバイス。
27. 請求項８～２６のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、容器壁及び前記容器の底部は異なる材料で作成される、デバイス。
28. 請求項８～２７のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、容器壁は、ポリマー、セラミック、ガラス、又は他の低熱伝導材料で作成される、デバイス。
29. 請求項８～２８のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、前記容器の前記底部は、ステンレス鋼、アルミニウム若しくはその他のような高伝導率材料で作成される、又はポリマー、ガラス若しくはその他のような低伝導材料を用いて造作される、デバイス。
30. 請求項８～２９のうちいずれか１項記載のデバイスにおいて、前記デバイスは凍結デバイスである、デバイス。
31. 請求項１～７のうちいずれか１項記載の方法又は請求項８～３０のうちいずれか１項記載のデバイスにより凍結される生物学的溶液。

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