KR200297342Y1 - 생체조직의 초저온 급속 동결장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 생체조직의 초저온 급속 동결장치에 관한 것으로, 그 주요 구성은, 액화 프로판가스를 공급하는 가스 공급체(2)와; 상기한 가스 공급체(2)의 호스(4)와 연결되는 코일체(6)와; 상기한 코일체(6)를 수용하는 예비냉각장치(3)과; 상기한 코일체(6)와 연속하여 연결되는 수용체(7)와; 뚜껑(21)과 몸체(22)로 이루어지고 상기한 수용체(7)에서 급속 냉동된 생체를 수용하는 보관함(20)과; 상기한 수용체(7)를 둘러 싸는 냉동탱크(1)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

생체조직의 초저온 급속 동결장치{Rapid freezing apparatus for living body tissue}

본 고안은 생체조직의 초저온 급속 동결장치에 관한 것이다. 일반적으로 의학용으로 사용되는 생체 조직 급속 동결장치는 주로 액화 질소(-196℃)나 액화 프로판(-185℃)를 이용하여 초저온으로 생체 조직을 급속 냉동시켜 사용하고 있다. 일반적으로 액체 질소보다 액화 프로판이나 액화 프레온이 생체조직을 더 빠른 속도로 냉각시키기 때문에 동결이 필요한 생체조직을 1차로 액화 프로판을 사용하고 급속 동결에 성공한 생체조직은 액화 질소로 옮겨 오랜 시간 보관이 가능하다.

이 장치의 중요성을 예를 든다면 인체 및 동물의 인공출산을 위한 정자 및 난자보관과 줄기세포(stem cells)가 되는 세포들과 기타 미생물들과 각종 생체조직 등의 연구 및 동종이식 등을 위한 생체의 보관을 위해서 필수적이다. 그러나 세포가 동결될 때 물리적 손상 없이 초저온 상태로 보관하여야만 그 생체를 필요할 때 활용할 수 있다. 만일 냉동과정 중 급속 냉동이 이루어지지 못하고 냉동시 온도차이가 생기거나 시간차이로 생체가 동결될 때 얼음 결정(ice crystal)으로 인한 세포내의 손상을 가져와 세포가 죽는 등 활용할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 즉, 유리결정(vitrification)구조로 세포의 용적에 변화 없이 동결되어야 하는데 만일 느린 동결로 인한 세포내의 얼음 형성으로 인한 부피증가는 세포를 파괴하여 죽게 만든다.

종래의 급속 냉동장치는 별도의 큰 용량의 액화 질소 가스통이 설치되고, 이와 연결된 냉동탱크의 중심부엔 프로판 가스가 투입되도록 액화 질소 통으로부터 액체 질소가 투입된다. 이때 액체 질소의 온도는 -196 ℃ 정도 되며 액화 프로판 가스는 -185℃ 이다. 비록 온도는 액화 질소가 -9℃낮지만 냉각속도는 액화 프로판(5,000℃/sec)이 액화 질소(1,000℃/sec)보다 약 5배 이상 빠르다. 그리므로 액체 프로판용기에서 1차로 생체(세포, 조직)를 급속히 동결시키고 2차로 액화질소 용기 속에 보관한다.

이 종래의 장치에 사용되는 수용용기는 단순히 높이가 낮은 원통형으로 구성되어 있어서 액화 질소로 예비 냉각시키는 시간이 약 30분 내지 1시간 정도 소요되어 매우 장시간이 소요되며 액화 질소의 소모량이 많다. 이러한 일을 위하여 액화 질소을 2-3일 전에 준비하여 밀폐된 단계에서 액화 질소용기 내의 압력이 올라가서 그 팽창한 압력으로 액화 질소가 분출하도록 한다. 그러나 만일 액화 질소용기 내의 일정한 압력이 되지 않거나 반복사용으로 인한 내부 압력이 낮아지면 액화 질소가 분출하지 않아 초저온 환경이 되지 않아 액화된 프로판이 분출하지 않고 기화된 프로판 가스가 된다.

또한 종래의 이러한 장치들은 많은 양의 액화 질소 및 프로판을 사용하여야 하고 그리고 액화 질소용기가 항상 고정된 장소에 설치되어 있어야 하므로 생체조직이 필요한 장소로 이동하기 어려운 단점이 있다.

또한, 종래의 장치는 액화 질소 및 프로판 가스의 배기 등의 안정성을 고려하여 환기시설이 있는 장소에서 반드시 테이블에 고정한 고정형으로 사용하여야만 했다.

본 고안은 상기한 단점들과 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것이며, 본 고안의 목적은, 본 생체급속냉동장치를 이동 가능한 장치로 만들어 생체조직을 채취하기 필요한 장소로 옮기는 일이 용이하며 또한 장치의 사용이 편리하고 사용되는 액화 질소나 액화 프로판 가스의 사용량을 절대적으로 줄일 수 있어 비용을 절감할 수 있으며 동결작업을 위한 준비 시간을 종래에는 2-3일 소요되는 작업을 5분 이내로 실행할 수 있다. 또한 동결된 생체를 용기에 넣어 안전한 보관이 가능한 장치를 제공함에 본 고안의 목적이 있다

도 1 은 본 고안에 따른 장치의 전체적인 구성을 설명하기 위한 도면

도 2 는 본 고안에 따른 보관함(20)과 적층함(70)의 구조와 조립을 설명하기 위한 도면

도 3a, 3b 는 보관함에 대한 사시도 및 저면도

도 4 는 본 고안에 사용되는 보관함 집게

상기한 본 고안의 목적을 달성하기 위한 본 고안의 주요 구성은, 액화 프로판가스를 공급하는 가스 공급체(2)와; 상기한 가스 공급체(2)의 호스(4)와 연결되는 코일체(6)와; 상기한 코일체(6)를 수용하는 예비냉각장치(3)과; 상기한 코일체(6)와 연속하여 연결되는 수용체(7)와; 뚜껑(21)과 몸체(22)로 이루어지고 상기한 수용체(7)에서 급속 냉동된 생체를 수용하는 보관함(20)과; 상기한 수용체(7)를 둘러 싸는 냉동탱크(1)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 특징 외의 다른 특징 및 구조에 대하여 이하, 첨부 도면과 함께 상술한다.

도 1 은 본 고안에 따른 장치의 구성을 보여 주는 예시 도이다.

도시한 바와 같이, 본 고안에서는 냉동탱크(1)와 액화 프로판 가스 공급체(2) 사이에 예비냉동실(3)을 설치한다. 가스 공급체(2)와 예비냉동실(3) 사이의 연결은 유연한(flexible) 절연성 호스(4)로 이루어지게 한다. 호스(4)는 바깥이 연질의 열 차단이 가능한 것으로 열 전달성이 낮은 연성의 재질로 이루어진 튜브(5)로 피복 하는 것이 좋다. 튜브(5) 내부는 굽힘이 자유로운 연성의 구리 재질로 나선형 모양으로 형성시킨다. 그러나 다른 어떠한 재질을 사용하여도 무방하다. 단 피복체인 튜브는 열 전달성이 낮은 것을 반드시 사용하는 것이 초저온으로부터 안전하다. 예비냉각장치(3) 내부에는 코일체(6)가 형성된다.

코일체(6)는 조밀하게 나선형으로 꼬아서 가능한 넓은 표면적으로 이루어지도록 한다. 그 이유는 액화 질소와 접촉 면적을 넓게 함으로 짧은 시간 안에 최대한 냉각 효율을 높이도록 하여 액화 프로판의 분출을 극대화하기 위한 것이다. 그리고 이 코일체(6)는 연속하여 냉동탱크(1)로 연장되어 있다.

냉동탱크(1)의 중간에는 수용체(7)가 설치되며, 이 수용체(7)로 호스(4)가 연장되어 연결된다. 수용체(7)와 냉동탱크(1)의 상단의 높이는 수평적으로 같은 높이를 만드는 일이 매우 중요하다. 그 이유는 만일 높이의 차이가 생기면 절연성 덮개(8)를 기준으로 그 이상은 상온이고 그 이하의 수용체(7) 주위는 섭씨 -196 ℃의 극저온이기 때문에 동결을 위한 생체조직이 급속 동결되는 과정에서 짧은 시간이지만 시간차이로 급속 냉동이 어렵기 때문이다.

호스(4)의 코일은 일반적으로 구리재질을 사용하며 열전도율이 좋은 티타늄, 백금, 은 등의 금속을 사용할 수도 있다. 호스의 수용체(7)로의 연결은 수용체(7)의 아래쪽이나 위쪽에 연결한다. 그러면 액화된 프로판 가스가 큰 동요 없이 조용히 공급될 수 있다. 또는 다른 예로 수용체(7)의 상부로 공급되게 할 수도 있다. 이 경우 바로 자유 낙하하는 것이 아니고 다른 완충장치를 매개로 하여 액화된 가스로 일정량씩 안정적으로 공급되게 구성할 수도 있다.

도 2 는 냉동체 보관함(20)과 이를 적층하여 수용할 수 있는 적층함(70)에 관한 구성을 보여 주고 있다. 보관함(20)의 1개는 그림과 같이, 뚜껑(21)과 몸체(22)로 이루어지고 뚜껑(21)은 상단 중앙에 상돌출부(23)가 형성되고 그 측부에 측돌기(87)가 형성되며 하단에 하돌출부(24)가 형성된다. 그리고 그 중간은 통공(81)이 형성된다. 그리고 몸체(22)에는 중앙에 통공(26)이 형성되고 그 외주로 수용홈(25)이 여러 개의 원주 상으로 빙 둘러 설치되며 또 상기 측돌기(87)의 위치 바로 아래 위치에 대응하게 수용홈(28)이 형성된다. 이 수용홈(25)에는 수용체(7)에서 급속 냉동시킨 생체가 담겨진다.

상기한 수용홈(25)에 생체를 넣은 후, 도 3a 과 같이, 뚜껑(21)과 몸체(22)를 볼트 등과 같은 체결구(27)로 체결된다. 몸체(22)의 하단엔 십자형으로 오목홈(82)이 형성된다. 도 3b 는 도 3a 를 뒤집어서 그 저면을 평면상으로 도시한 것이다. 도시한 바와 같이, 빗금 친 부분이 오목한 홈으로 이루어진다. 즉, 주위 4방에서 오목홈(82)이 형성되고 이는 다시 그 안 쪽에 원형홈(83)과 연결된다. 또 중간의 통공(26) 외에 그 측부에 고정홈(85)을 약간 깊이가 있게 형성한다.

고정홈(85)은 상기 위치에 한정되는 것이 아니라 가장 바깥 외주상으로도 형성시킬 수 있다 이 고정홈(85)의 역할은 도 2 에 도시한 바와 같이, 고정구(84)와 결합된 상태에서 뚜껑(21) 상에 형성된 체결구(27)를 돌려서 뚜껑(21)을 열거나 잠글 때 드라이버 등을 이용하여 체결구(27)를 회전시키는데 이때 그 돌리는 힘에 의하여 몸체(22)가 제 위치에서 함께 회전하는 것을 방지하기 위한 것이다

원형홈(83)은 몸체(22)의 수용홈(25)이 형성된 위치 아래에 위치하는 것이 바람직하다. 그 이유는 액화 질소가 채워질 때 그 냉매가 이 오목홈(82)을 통하여 원형 홈(83)까지 침투하여 몸체(22)의 수용홈(25)에 내장된 생체를 충분히 냉각시킬 수 있다. 상기와 같은 구성의 단위 보관함(20)은 도면과 같이 여러 개의 순차적으로 쌓을 수 있다. 즉, 상돌출부(23)가 그 위에 놓이는 몸체(22)의 통공(26)에 끼워져 들어 간다.

한편, 수용체(7)의 중앙 가운데엔 돌기(71)가 나사 체결 식으로 결합되고 그 측부에도 고정구(84)가 나사 결합 식으로 고정된다. 따라서 이 돌기(71) 및 고정 구(84)에 몸체(22)의 통공(26) 및 고정홈(85)이 끼워지고 그 위로 동일한 형상의 보관함(20)들이 차곡차곡 쌓아지게 된다. 이때 뚜껑(21)의 상부엔 측돌기(87)가 형성되고 이와 대응하는 다른 몸체(22)엔 수용홈(28)이 형성되어 2층 이상부터는 이들의 결합에 의한 2차적인 안전한 적층 고정이 이루어진다.

상기한 구성에 의한 사용 예를 이하, 설명한다.

많은 표면적을 갖고 있는 코일체(6)가 있는 예비냉각장치(3)에 액화 질소를 투입한다. 그리고 액화 프로판을 담기 위한 수용체(7)의 외주와 냉동탱크(1)의 내주 사이로 액화 질소를 투입한다. 즉 예비냉각장치(3)와 냉동탱크(1) 내에 액화 질소를 채우는 식으로 투입함으로 액화 프로판가스 공급체(2)와 연결된 코일체(6)와 액화 프로판 수용체(7)의 온도가 약 -196 ℃ 까지 떨어져 실온상태의 액화 프로판가스 공급체(2)에 있는 액화 프로판이 코일체(6)로 이동하여 생체조직 냉동장치인 수용체(7) 안으로 이동하게 된다. 즉, 예비냉각장치(3)에서 액화 프로판 가스의 온도를 -185 ℃보다 더 낮은 온도로 낮아진 상태에서 프로판 가스가 액화 상태로 수용체(7)에 담아진다. 이 원리는 용기내의 온도를 급속히 초저온으로 낮게 하면 공기부피의 용적이 극히 작아지므로 음압이 발생하며 이때 높은 압력의 액화 프로판 공급체(2)에서 액화프로판가스 음압이 발생한 곳, 즉 예비냉각장치(3)로, 다음은 수용체(7)로 이동하는 원리이다.

적절한 양이 수용체(7)내로 들어오면 액화 프로판 공급체(2)에서 더 이상의 공급을 막는다. 수용체(7)내의 액화 프로판은 처음에는 맑은 물과 같은 투명한 액체 에서 시간이 경과함에 따라서 수용체(7) 주위에 액화 질소의 초저온에 영향을 받아 액화 프로판이 수용체(7) 주변부터 결빙상태가 나타난다. 이 때는 본래의 액화 프로판 온도인 -185℃ 보다 더 낮은 온도로 되며 생체조직을 급속 냉동하기 적합한 상태가 된다. 이 때 생체조직을 취하여 급속 동결시키고 동결이 끝난 생체조직은 적층함(70)내의 보관함(20) 몸체(22)의 수용홈(25)에 차례로 투입한 후 뚜껑(21)을 닫아 고정한 후, 반복하여 다수의 생체조직을 보관함(20)을 쌓아 액화 질소(92)가 잠기도록 적층함(70)에서 처리하여 임시 보관하거나 다시 초저온 대형 생체조직 저장용기에 옮겨 필요한 시간 동안 저장하거나 영구적으로 보관이 가능하다. 이때 보관함(20)을 초저온 대형 생체조직 저장용기에 운반할 때 혹은 꺼낼 때 도 4 에 도시한 바와 같은 긴 집게(90)를 이용하며, 집게(90)의 양 끝부위는 반원형의 홈으로 만들어져 이것이 도 2 에 도시한 상돌출부(23)에 형성한 홈부위(91)를 집을 수 있게 한다. 이 집게(90)를 이용하면 보관함(20)을 운반하는 일을 쉽게하며 초저온의 보관함(20)을 안전하게 다룰 수 장점이 있다.

또한 이 보관함(20)은 초저온 상태로의 보존이 효율적으로 설계하였는데 액화 질소에 의해 냉각되도록 도 2 의 수용체(7)의 내측으로 액화 질소가 들어와 채워지고 보관함(20)의 바닥에 형성된 오목 홈(82)과 원형 홈(83)에 액화질소가 채워진다. 또한 그 중앙의 통공(26)을 통하여도 상부로 올라온다. 즉 보관함(20)이 쌓아져도 보관함(20)에 형성된 중앙의 통공(26)을 통하여 액화 가스가 상방으로 소통되게 구성되어 쌓아진 많은 보관함(20)들을 충분히 냉각시킬 수 있다.

상기한 바와 같은 본 고안에 의하면, 예비냉각장치(3)의 구성에 의하여 극히 소량의 액화 질소만 필요하므로 종래 냉동 온도조건을 만들기 위하여 대량으로 공급하여야 하는 질소의 소모량을 최소한으로 줄일 수 있는 효과가 있다

또한, 본 발명에 의하면, 냉동을 위한 예비 준비 시간을 1 ~ 5분내로 -196 ℃까지 짧은 시간내 낮추므로 준비 작업에 있어 매우 신속한 효과가 있다.

또한, 본 고안에 의하면 별도의 충분한 양의 액화 질소가 필요한 질소 탱크가 불필요하고, 거의 일체로 이루진 예비냉각장치(3)과 냉동탱크 (1)의 구성과 가스공급체(2)의 구성만으로 이루어지므로 매우 간편하게 소형으로 만들어 낼 수 있으며 원하는 장소로의 이동이 자유로운 장점이 있다

또한 본 고안에 의하면 부피가 큰 액체 질소용기를 가지고 다니거나 설치할 필요도 없으며 이 장치의 설치 공간이 크게 필요하지 않는 장점도 있다

또한 본 고안에 의하면, 유연한 호스(4)의 구조로 되어 있어, 예비냉각장치(3) 및 냉동탱크(1)를 후드(프로판 가스는 폭발성을 갖는 위험물질이므로 환기 조건이 좋은 주변 조건에서 작업을 하여야 하기 때문에 통상 후드 등을 갖추어야 한다)나 환기가 잘되는 장소에서 임의로 유연성 있게 구부려 위치를 정하여 편리하게 작업이 가능하므로 일의 효율을 높일 수 있다.

Claims (4)

1. 액화프로판가스를 공급하는 가스 공급체(2)와;

   상기한 가스 공급체(2)의 호스(4)와 연결되는 코일체(6)와;

   상기한 코일체(6)를 수용하는 예비냉각장치(3)과;

   상기한 코일체(6)와 연속하여 연결되는 수용체(7)와;

   뚜껑(21)과 몸체(22)로 이루어지고 상기한 수용체(7)에서 급속 냉동된 생체를 수용하는 보관함(20)과;

   상기한 수용체(7)를 둘러싸는 냉동탱크(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는

   생체조직의 초저온 급속 동결장치
2. 제 1 항에 있어서,

   상기한 보관함(20)은 뚜껑(21)과 몸체(22)로 이루어지고, 체결구(27)에 의하여 체결할 수 있게 구성되며, 상기한 뚜껑은, 상방으로 돌출되는 상돌출부(23) 및 측돌기(87)와, 그 하단에 돌출 형성하는 하돌출부(24)와, 상기 상하 돌출부(23, 24)를 관통하는 통공(81)을 포함하며, 상기한 몸체(22)는 그 상면에 형성한 다수의 수용 홈(25)과, 중간에 형성한 통공(26)과 하측의 외주로 형성한 수용홈(28)을 포함하여, 적층함(70) 내에 적측 가능하게 이루어지는 것을 특징으로 하는 생체조직의 초저온 급속 동결장치
3. 제 1 항에 있어서,

   상기한 보관함(20)의 바닥에 오목한 오목홈(82)을 형성하고 그 내측으로 이 오목홈(82)과 소통하는 원형홈(83)을 형성하며, 또한 그 보관함(20)의 적층함(70)에 대한 고정을 위하여 고정홈(85)을 형성한 것을 특징으로 하는 생체조직의 초저온 급속 동결장치
4. 제 1 항에 있어서,

   상기한 적층함(70)은 그 중앙에 체결 가능한 돌기(71)를 형성시키고, 그 측부로 체결 가능한 고정구(84)를 형성하여 보관함(20)을 고정할 수 있게 구성한 것을 특징으로 하는 생체조직의 초저온 급속 동결장치