УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ И ХРАНЕНИЯ КЛЕТОК ТКАНИ Российский патент 2005 года по МПК F25D3/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к биологии, медицине и холодильной технике и может быть использовано для проектирования, изготовления и эксплуатации устройств для замораживания и хранения клеток ткани, в частности форменных элементов крови, клеток предшественников людей и животных.

Уровень техники

Известно техническое решение (аналог), описанное в изобретении (Патент на изобретение РФ № 2044972, МКИ F 25 D 3/10, оп. 1995 г.) "Прибор для замораживания биологических суспензий". Прибор для замораживания биологических суспензий содержит корпус, размещенный внутри него вращающийся охлаждаемый барабан, механизм загрузки суспензии, механизм выгрузки замороженной суспензии и устройство для отделения замороженной суспензии. Загрузочное устройство представляет собой один или несколько сосудов. Механизм выгрузки состоит из одной или нескольких капсул-пробирок, установленных в теплоизолированном кожухе.

Недостатком прибора является то, что он предназначен только для замораживания. Известен аналог “Криогенное хранилище для биологических материалов”, содержащее теплоизолированный сосуд, внутренняя полость которого включает газовую и жидкостную полости, и расположенную внутри сосуда камеру с горловиной для загрузки и извлечения объектов хранения, полость камеры сообщена с полостью сосуда посредством канала, вход в который со стороны сосуда расположен в его газовой полости. В сосуде расположено несколько камер, полости которых сообщены между собой (Патент на изобретение РФ № 2031334, МКИ F 25 D 3/10, оп. 1995 г.).

Известен также аналог “Криогенное хранилище для биологических материалов”, содержащее цилиндрический теплоизолированный сосуд и расположенную внутри сосуда камеру, полость которой изолирована от полости сосуда, горловину для загрузки и извлечения объектов хранения, отличающееся тем, что вход в горловину расположен на боковой поверхности сосуда, камера имеет форму тела вращения, и в камере расположено многосекционное поворотное устройство для размещения объектов хранения (Патент на изобретение РФ № 2031333, МКИ F 25 D 3/10, оп. 1995 г.).

Недостатком двух вышеприведенных криогенных хранилищ является то, что они предназначены только для хранения биологических материалов в замороженном состоянии.

Известно техническое решение, описанное в Интернете на сайте http://www.cryomedica.com (прототип): устройство для замораживания и хранения клеток ткани, содержащее два блока: блок замораживания и криохранилище, обеспечивающее хранение замороженных клеток ткани. Криохранилище содержит корпус, внутреннюю полость, горловину, соединяющую внутреннюю полость с окружающим устройство пространством. Блок замораживания также содержит корпус с теплоизоляцией и внутреннюю полость. Таким образом, устройство содержит две полости, в одной замораживают, а в другой хранят замороженные клетки ткани.

В качестве блока для замораживания клеток ткани используют программный фризер “PLANER kryosave” компании Planer (Великобритания). Фризер соединен с компьютером, который контролирует процесс замораживания клеток до температуры -80°С. Прибор обеспечивает плавный поэтапный процесс замораживания, что защищает клетки от холодового повреждения.

Недостатками прототипа являются невозможность в одной внутренней полости осуществлять одновременно два процесса: процесс замораживания и процесс хранения пробирок с клетками ткани.

Другим недостатком является невозможность замораживания различных пробирок с клетками ткани с различной скоростью в одной внутренней полости устройства.

Также недостатком является и то, что прототип не обеспечивает возможности хранения пробирок с клетками ткани при различной температуре в одной внутренней полости устройства.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для замораживания и хранения клеток ткани, которое позволило бы одновременно проводить работы и опыты, связанные с замораживанием клеток ткани и хранением их при различных отрицательных температурах.

Поставленная задача и технические результаты (будут описаны ниже) достигаются тем, что устройство для замораживания и хранения клеток ткани, содержащее корпус, внутреннюю полость, горловину, соединяющую внутреннюю полость с окружающим устройство пространством, отличающееся тем, что часть внутренней полости устройства заполнена сжиженным газом и часть внутренней полости устройства заполнена газом или смесью газов, при этом во внутренней полости устройства расположены пробирки с клетками ткани и часть пробирок с клетками ткани расположена в сжиженном газе.

Заявленное устройство предназначено для замораживания (вплоть до криогенных температур) и хранения клеток ткани, в частности форменных элементов крови, клеток предшественников людей и животных в замороженном состоянии.

Техническими результатами изобретения являются:

обеспечение возможности в одной внутренней полости устройства осуществлять одновременно следующие процессы: процесс замораживания, процесс размораживания и процесс хранения пробирок с клетками ткани;

обеспечение возможности замораживания различных пробирок с клетками ткани с различной скоростью в одной внутренней полости устройства;

обеспечение возможности хранения пробирок с клетками ткани при различной температуре в одной внутренней полости устройства.

От прототипа устройство отличается тем, что часть внутренней полости устройства заполнена сжиженным газом и часть внутренней полости устройства заполнена газом или смесью газов, при этом во внутренней полости устройства расположены пробирки с клетками ткани и часть пробирок с клетками ткани расположена в сжиженном газе.

Конструктивно корпус состоит, по меньшей мере, из внешней и внутренней герметичных оболочек с вакуумной полостью между ними, по меньшей мере, частично заполненной теплоизоляционными материалами или экранно-вакуумной изоляцией. Оболочки могут быть выполнены из металла или пластмассы.

Объем части внутренней полости устройства для замораживания и хранения клеток ткани, заполненной сжиженным газом, составляет от 30 до 90% от величины объема внутренней полости устройства для замораживания и хранения клеток ткани.

Диаметр проходного сечения горловины может составлять от 5 до 75% от максимального диаметра устройства. Собственно корпус устройства может выполняться по форме цилиндрическим, призматическим, из комбинации различных по форме фигур.

Устройство для замораживания и хранения клеток ткани может быть выполнено с объемом внутренней полости от 3 до 50 л. Объем всего устройства для замораживания и хранения клеток ткани может превышать внутренний объем в 1,01÷2 раза.

В качестве сжиженного газа используют жидкий азот с температурой кипения -195,8°С, температурой плавления -210°С. В общем случае могут использовать и другие сжиженные газы: гелий с температурой кипения -268,2°С, температурой плавления -272,2°С, воздух с температурой кипения -192°С, температурой плавления -213°С. Для непродолжительного хранения может использоваться аммиак.

В качестве газа используют газообразный азот. В качестве смеси газов используют, по меньшей мере, смесь азота с кислородом.

При полном первоначальном заполнении внутренней полости азотом и последующем его испарении при не плотно закрытой горловине (при зазоре в 5 - 10 мм) полость 3 будет полностью заполнена газообразным азотом.

При открытой горловине полость 3 будет в основном заполнена смесью азота и кислорода.

Пробирки с клетками ткани закрыты крышками с уплотнительными кольцами. По меньшей мере, часть пробирок выполнена из пластмассы.

По меньшей мере, часть пробирок имеет объем от 2,5 до 50 мл. Устройство содержит один или несколько штативов в виде криобоксов для размещения от 5 до 100 пробирок. Предпочтительно использовать штативы на 6 пробирок с клетками ткани, например, одного человека.

Устройство выполнено с возможностью введения штатива во внутреннюю полость или выведения штатива из внутренней полости. Штатив для размещения пробирок содержит устройство для введения штатива во внутреннюю полость устройства для замораживания и хранения клеток ткани и перемещения его через часть внутренней полости, заполненной газом или смесью газов в часть полости, заполненную сжиженным газом. Устройство для введения штатива может быть выполнено в виде стержня (обеспечивающего ручное введение штатива), закрепленного одним концом на корпусе штатива. Устройство для введения штатива может быть выполнено в виде более сложной конструкции, оно может содержать трос, на котором закреплен штатив, трос намотан на барабан, барабан соосно соединен с ротором электродвигателя (например, через редуктор). В зависимости от того, наматывается или сматывается трос с барабана штатив вводится во внутреннюю полость или выводится из внутренней полости.

Заявленное устройство имеет дополнительные преимущества над прототипом, а именно повышенная производительность устройства;

сокращение времени нахождения пробирок с клетками ткани вне устройства (устройств) для замораживания и хранения.

Устройство позволит замораживать и хранить клетки ткани (жидкой или твердой), в частности эритроциты, лейкоциты, тромбоциты, стволовые клетки крови, как ядросодержащие так и неядросодержащих и многие другие клетки ткани. Дополнительно устройство позволит замораживать и хранить, например, жидкую часть крови - плазму.

Как правило, в заявленном устройстве клетки ткани замораживают после центрифугирования. Клетки размещают в пробирке (пробирках) и смешивают с криопротектором. После чего пробирку с клетками ткани закрывают крышкой, размещают в штативе. Штатив помещают над горловиной устройства для замораживания и хранения клеток ткани в зоне с температурой на 5-10°С ниже температуры окружающего воздуха. Затем вводят во внутреннюю полость устройства со скоростью 3-30 мм/мин. Внутренняя полость может быть частично заполнена сжиженным газом. Причем чем ближе к жидкости находится штатив с пробиркой, тем ниже температура. При погружении штатива с пробиркой в сжиженный газ температура пробирки достигает температуры хранения. Описанный процесс может продолжаться как угодно долго - до момента заполнения внутренней полости устройства штативами с пробирками. Сжиженный газ при открытой горловине будет испаряться, поэтому его необходимо периодически доливать.

В прототипе производительность ограничивалась в основном работой программного фризера. В заявке устройство для замораживания и хранения совмещены.

Во внутренней полости заявленного устройства могут осуществляться одновременно следующие процессы: процесс замораживания, процесс размораживания и процесс хранения пробирок с клетками ткани, причем обеспечивается возможность замораживания (размораживания) различных пробирок с клетками ткани с различной скоростью в одной внутренней полости устройства. Кроме того, обеспечивается возможность хранения пробирок с клетками ткани при различной температуре в одной внутренней полости устройства. Это свойство позволяет работать с различными типами тканей одновременно (например, с клетками крови и клетками костной ткани).

Разница в температурах пробирок может составлять от нескольких градусов до нескольких десятков градусов, например разница в температурах может составлять от 2°С до 150°С. Замораживание пробирок с клетками ткани с различной скоростью достигается за счет того, что штативы с пробирками вводят во внутреннюю полость устройства с различной скоростью.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена схема устройства для замораживания и хранения клеток ткани. На фиг.2 изображены температурные поля во внутренней полости и над горловиной устройства.

Осуществление изобретения

Осуществление изобретения с реализацией указанного назначения будет показано на работе устройства при замораживании и хранении клеток ткани (например, крови) человека.

Устройство для замораживания и хранения клеток ткани содержит корпус 1 с теплоизоляцией 2, внутреннюю полость 3, горловину 4, часть 5 внутренней полости устройства заполнена сжиженным газом и часть 6 внутренней полости устройства заполнена газом или смесью газов. Во внутренней полости устройства расположены пробирки 7-10. Пробирки 9 и 10 с клетками ткани расположены во внутренней полости в сжиженном газе, а пробирки 7 и 8 с клетками ткани расположены во внутренней полости в смеси газов.

Пробирки расположены в штативах 11, 12 и 13.

Объем части 5 внутренней полости, заполненной сжиженным газом, составляет 30% от величины объема внутренней полости 3 устройства для замораживания и хранения клеток ткани.

Диаметр проходного сечения горловины составляет 70% от максимального диаметра устройства. Собственно корпус устройства выполнен цилиндрическим по форме. Конструктивно корпус состоит из внешней 33 и внутренней 32 герметичных оболочек с вакуумной полостью между ними, заполненной теплоизоляционными материалами 2 или экранно-вакуумной изоляцией.

Устройство содержит прибор 14 для контроля количества сжиженного газа во внутренней полости. В качестве сжиженного газа используют жидкий азот.

Пробирки 15 и 16 (на фиг.1 выносное сечение I) с клетками ткани 17 закрыты крышками 18 и 19 с уплотнительными кольцами 20.

Пробирки выполнены из пластмассы. Пробирки имеет объем 2,5 мл.

Штативы 11-13 для размещения пробирок выполнены в виде криобоксов на шесть пробирок. Штативы посредством тросов (например, штатив 11 посредством троса 29, штатив 28 посредством троса 31) соединены с барабаном, например барабаном 30 устройства для введения штатива во внутреннюю полость. В зависимости от того, накручивается трос или скручивается, штатив будет подниматься или опускаться.

При закрытой горловине устройства в качестве газа во внутренней полости находится азот. При открытой горловине в качестве смеси газов во внутренней полости находится в основном смесь азота с кислородом (имеется незначительное количество примесей других газов). Устройство для замораживания и хранения клеток ткани выполнено с объемом внутренней полости, равным 50 л. В целом объем устройства с теплоизоляцией составит 100 л.

На фиг.2 изображены изотермы (температурные зоны) над горловиной и во внутренней полости устройства для замораживания и хранения клеток ткани. Изотерма 21 располагается на границе жидкости и газа и характеризуется температурой сжиженного газа: азота (-195,8°С). Изотерма 22 характеризуется температурой -190°С. Изотерма 23 характеризуется температурой -150°С. Изотерма 24 характеризуется температурой -90°С. Изотерма 25 характеризуется температурой -30°С. Изотерма 26 характеризуется температурой -10°С. Изотерма 27 характеризуется температурой окружающего воздуха +20°С. Штатив 28 расположен в области с температурой ниже -150°С. Общее понижение температуры в области 3 может быть достигнуто перекрытием (частичным или полным) горловины с помощью крышки (на чертежах на показана).

Работает устройство следующим образом.

1. Пробирки с клетками ткани размещают в штативе. Штатив, например, 11 при помощи троса 29 вводят во внутреннюю полость устройства для замораживания и хранения клеток ткани. Штатив проходит область 3, где его (и пробирок, размещенных в нем) температура снижается до температуры -90°С. При погружении в жидкий азот температура клеток ткани достигает величины -195.8°С. Эта температура является предпочтительной температурой для хранения различных типов клеток крови, например стволовых клеток крови.

2. В процессе хранения клеток они подвергаются тестированию на наличие следующих агентов: Анти-HIV-l и -2, HIV-1Ag, Анти-HTLV-l и -II, Анти-HbcorAg, HBs-Ag, Анти-HCV. Тестирование происходит в стандартной медицинской лаборатории.

Перед тестированием клетки нагревают до температуры (-5)÷(+25)°С. Нагрев осуществляют путем постепенного выведения штатива с пробирками из внутренней полости устройства.

3. Устройство для замораживания и хранения клеток ткани содержит устройство 14 для контроля количества сжиженного газа в устройстве. Устройство контроля содержит индикатор уровня жидкости.

4. Ввод штатива во внутреннюю полость устройства осуществляют, например, со средней скоростью 20 мм/мин.

5. Вывод штатива из внутренней полости устройства осуществляют, например, со средней скоростью 15 мм/мин.

При расстоянии от среза горловины до жидкости, равном 1000 мм, время замораживания (размораживания) составит 50 минут.

6. Скорость замораживания (размораживания) целесообразно поддерживать на уровне 3-5 градусов в минуту. Процесс замораживания и процесс размораживания различных пробирок с клетками ткани в заявленном устройстве может проходить одновременно. Например, штатив 13 вводится во внутреннюю полость со скоростью 20 мм/мин, а штатив 12 выводится из внутренней полости со скоростью 15 мм/мин.

Таким образом, повышение производительности устройства, а также сокращение времени нахождения пробирок вне устройства достигается за счет того, что во внутренней полости устройства одновременно может осуществляться замораживание, размораживание и хранение в замороженном состоянии различных пробирок с клетками ткани.

Замораживание пробирок с клетками ткани с различной скоростью в одном устройстве достигается за счет того, что штативы с пробирками вводят во внутреннюю полость устройства с различной скоростью.

Размораживание пробирок с клетками ткани с различной скоростью в одном устройстве достигается за счет того, что штативы с пробирками выводят из внутренней полости устройства с различной скоростью. Хранение пробирок при различной температуре достигается тем, что пробирки хранятся в различных температурных зонах (ограниченных изобарами, изображенными на фиг.2).

Устройство для замораживания и хранения клеток ткани, содержащее корпус, внутреннюю полость, горловину, соединяющую внутреннюю полость с окружающим устройство пространством, отличающееся тем, что часть внутренней полости устройства заполнена сжиженным газом и часть внутренней полости устройства заполнена газом или смесью газов, при этом во внутренней полости устройства расположены пробирки с клетками ткани и часть пробирок с клетками ткани расположена в сжиженном газе. Использование данного изобретения позволяет производить опыты при различных отрицательных температурах. 17 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для замораживания и хранения клеток ткани, содержащее корпус, внутреннюю полость, горловину, соединяющую внутреннюю полость с окружающим устройство пространством, отличающееся тем, что часть внутренней полости устройства заполнена сжиженным газом и часть внутренней полости устройства заполнена газом или смесью газов, при этом во внутренней полости устройства расположены пробирки с клетками ткани и часть пробирок с клетками ткани расположена в сжиженном газе.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объем части внутренней полости, заполненной сжиженным газом, составляет 30-90% от величины объема внутренней полости устройства для замораживания и хранения клеток ткани.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит прибор для контроля количества сжиженного газа во внутренней полости.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве сжиженного газа используют жидкий азот.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пробирки с клетками ткани закрыты крышками с уплотнительными кольцами.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть пробирок выполнена из пластмассы.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна пробирка имеет объем 2,5-50 мл.8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит один или несколько штативов для размещения пробирок.9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что выполнено с возможностью введения штатива во внутреннюю полость или выведения штатива из внутренней полости, при этом штатив для размещения пробирок содержит устройство для введения штатива во внутреннюю полость устройства для замораживания и хранения клеток ткани и перемещения его через часть внутренней полости, заполненной газом или смесью газов, в часть полости, заполненную сжиженным газом.10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что штативы для размещения пробирок выполнены в виде криобоксов от 5 до 100 пробирок.11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве газа используют азот.12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве смеси газов используют, по меньшей мере, смесь азота с кислородом.13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя полость выполнена с объемом 3-50 л.14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объем устройства для замораживания и хранения клеток ткани в 1,01 - 2 раза превышает объем внутренней полости устройства.15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус содержит теплоизоляцию и состоит, по меньшей мере, из внешней и внутренней оболочек с вакуумной полостью между ними.16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что вакуумная полость заполнена теплоизоляционными материалами.17. Устройство по п.15, отличающееся тем, что вакуумная полость заполнена экранно-вакуумной изоляцией.18. Устройство по п.15, отличающееся тем, что вакуумная полость выполнена герметичной.