Устройство для программного замораживания биообъектов Советский патент 1989 года по МПК F25D3/10 

S

(Л

;игнал, пропорциональный текущему значению температуры в контейнере 2 с биоматериаЛЬм, поступает на вход Йифференцируиицего блока А, на выходе Которого формируется сигнал, пропор- №ональный скорости изменения темпе- ратуры биоматериала. Он сравнивается ф сигналом, пропорциональным заданно- jjiy значению скорости охлаждения, пос- |гупающим от задающего блока 6. Сигнал рассогласования поступает через комг. нутатор 7 на исполнительный орган 11, через который осуществляется подача :шадагейта в камеру 1 замораживания. ( момент начала кристаллизации .теку- цая температура имеет отрицательный

знакр а сигнал на выходе дифференцирующего блока 4. равен нулю. Сигнал от датчика 13.поступает на блок 19. Осуществляется фактическая стабилизация теплового потока через стенку 2 контейнера. Благодаря блокам 15, 21, 16 определяются оптимальные значения параметров фазового перехода, которые фиксируются в запоминающем блоке 17. Оператор осуп1ествляет выборку оптимального значения из блока 1 7 и через второй коммутирующий блок 18 производит его подключение к второму входу сравнивающего блока 19 на все время работы с,-данным биома- териалом при заданных условиях. 1 ил

Устройство относится к криогенной технике, используемой для крио- консервации биологических материалов при проведении медицинских, и биоло - гических исследований, а точнее к устройствам для программного замораживания биоматериалов, например компонентов крови и костного мозга человека, микроорганизмов, культур крови и т.п. Целью изобретения является повышение точности управления кристаллизацией и сохранение жизненных функций биообъектов. Па первом этапе

1

Изобретение относится к криогенной Технике, используемой для криоконсер- ации биологических материалов при Проведении медицинских и биологичес- их исследований, а точнее к устройствам для программного замораживания иоматериалов, например компонентов срови и костного мозга человека, мик- )оорганизмов, культур крови и т.п

Цель изобретения - повьппение точности управления кристаллизацией и |;охранение жизненных функций биообъектов.

На фиг.1 изображена функциональная хема устройства для программного за- йораживания биообъектов.

Устройство содержит камеру 1 замораживания, в которой расположены кон- 1гейнеры 2 с биоматериалом, в одном Из которых размещен датчик 3 температуры, а также дифференцирующий блок И, блок 5 сравнения, задающий блок 6, коммутатор 7, блок 8 задания режимов, схему 9 совпадения, пороговый эле- мент 10, исполнительный.орган, блок йодачи хладагента. Датчик 3 темпера-, туры сообщен с входами дифференцирующего блока 4 и схемы 3 совпадения,

другой вход которой через пороговый

элемент 10 подсоединен к выходу дифференцирующего блока 4, а выход схемы 9 совпадения подсоединен к одному рходу коммутатора 7, второй вход которого соединен с выходом блока 5

сравнения, входы последнего соединены с выходами дифференцирующего блока 4 и задающего блока 6, а выход коммутатора 7 подсоединен к одному входу исполнительного органа 11, другой вход которого связан с блоком 12 подачи хладагента, а выход - с камерой 1.

Устройство дополнительно снабжено датчиком 13 теплового потока, размещенным на стенке контейнера 2, подсоединенным к выходу схемы совпадения источником 14 опорного напряжения и последовательно связанными с ним первым интегрирующим блоком 15, блоком 16 деления, запоминающим блоком 17, первым коммутирующим блоком 18, сравнивающим блоком 19, выход которого подсоединен к третьему входу коммутатора 7, а также последовательно соединенными вторым коммутирующим блоком 20 и вторым интегрирующим блоком 21. При этом датчик 13 теплового потока соединен с входами сравнивающего блока 19 и второго коммутирующего блока 20. Второй вход блока 20 соединен с выходом схемы 9 совпадения, а выход второго интегрирующего блока 21 соединен с вторым входом блока 16 деления. Блок 8 задания режимов соединен с вторым входом первого коммутирующего устройства.

Устройство работает следующим образом.

3

Работа на предлагаемом устройстве производится -в два этапа: этап обучения (определения оптимальных режимов прохождения кристаллизации); ра- бочий этап, когда оптимальный для данного типа биоматериала режим с учетом массы биоматериала, конфигурации и материала упаковки, а также характера теплообмена в каждом конкретном случае, при использовании определенных камер замораживания, гарантировано воспроизводится при многократном повторении циклов замораживания.

Первый этап работы характеризуется следующим.

Сигнал, пропорциональный текущему значению температуры в контейнере 2 с биоматериалом и датчиком 3, поступает на вход дифференцирующего блока 4, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный скорости изменения температуры биоматериала. Он сравнивается с сигналом, пропорциональным заданному значению скорости охлаждения, поступающим от задающего блока 6. Сигнал рассогласования поступает через коммутатор 7 на исполнительный орган 11 (например электромагнитный позиционный клапан), через который осуществляется подача хладагента (жидкого азота) от блока 12 подачи хладагента в камеру 1 замораживания. Количество хладагента пропорционально сигналу рассогласования и в установившемся режиме обеспечивает охлаждение со скоростью, соответствующей заданной. При этом сигнал на выходе схемы 9 совпадений соответствует нулевому значению, что, в свою очередь, обеспечивает подключение через коммутатор 7 выхода блока 5 сравнения к входу исполнительного органа 11 .

В момент начала кристаллизации текущая температура имеет отрицательный знак, а сигнал на выходе дифференцирующего блока 4 равен нулю (или даже отрицателен при наличии эффекта переохлаждения биоматериала), что приводит к появлению на выходе схемы 9 с совпадений единичного сигнала. Это, в свою очередь, приводит к подключению к исполнительному органу 11 выхода сравнивающего блока 19, а также включению первого коммутирующего блока 20 и источника 14 опорного напряжения .

55184

Второе коммутирук1щее устройство 18, управляемое оператором, в зто время подключает блок 8 задания реg жимов к второму входу сравнивающего устройства. Поскольку сигнал от датчика 13 теплового потока, пропорциональный потоку тепловой энергии, через стенку контейнера 2 поступает на

10 первый вход сравнивающего блока 19, то на выходе последнего формируется сигнал рассогласования между текущим и заданным от блока 8 задания режимов значениями теплового потока

15 (т.е. интенсивности теплопередачи, определяющей время и характер кристаллообразования в биоматериале, являющимися определяющими факторами криоповреждений), который определяет

20 количество хладагента, поступающего через исполнительный орган 11 -в камеру 1 замораживания. Иначе говоря, осуществляется фак.тическая стабилизация теплового потока через стенку

25 контейнера 2 с биоматериалом, т.е. стабилизируется характер теплообмен- ного процесса.

При этом в первом интегрирующем блоке 15 осуществляется интегрирова30 ние напряжения источника 14 опорного напряжения, т.е. формируется линейно-изменяющийся сигнал, пропорциональный продолжительности процесса кристаллизации, а во втором интегри2с рующем блоке 21 интегрируется значение текущего теплового потока за все время кристаллизации, т.е. осуществляется определение энергии фазового перехода всего количества биоматериаJQ ла ,в контейнере 2. В блоке 16 деления осуществляется выполнение опера- щш выделения текущего значения отношения энергии кристаллообразования ко времени, т.е. фактически, в конце

g кристаллизащ и, усредне} ного текущего значения теплового потока за все время фазового перехода.

При проведении серии экспериментов, исследователь определяет опти

мальное значение указанных параметров фазового перехода, которые в виде выходного сигнала блока 16 деления фиксируются (запоминаются) в запоминающем блоке 17. При переходе к второму этапу работы исследователь (оператор) осуществляет выборку оптимального значения режима фазового перехода из запоминающего блока 17 и через второй коммутирующий блок 18 производит подключение его значения.(или его подключение) к второму входу сравнивающего блока 19 на все время работы с данным биоматериалом при заданных условиях.

Работа устройства при выходе из кристаллизации опред(1ляется появлением на первом входе схемы 9 совпаФормула изобретения

Устройство для программного замо- раживания биообъектов, содержащее каО

меру замораживания, установленные в ней контейнеры для биообъектов, датчик температуры, установленный в ном из контейнеров.и сообщенный с дений единичного сигнала, отключением 1 о входами дифференцирующего блока и сравнивающего блока 19 от исполни- схемы совпадений, другой вход которой тельного устройства 11, подключением через пороговый элемент подсоединен к нему выхода блока 5 сравнения. При к выходу дифференцирующего блока, а понижении температуры биоматериала выход к одному входу коммутатора,, сигнал, пропорциональный скорости за- 5 второй вход которого соединен с выхо мораживания, на йыходе дифференцирующего блока 4 становится больше нуля и при зна,чениМ, большем напряжения уставки, пвроговьй элемент 10 устанавливается в нулевое состояние, что возвращает схему устройства в исходное, предществующее кристаллизации биоматериала состояние, т.е. в режим стабилизации скорости. Данное устройство обеспечивает сущеIственное увеличение точности управления кристаллизацией биоматериала за счет количественного автоматического измерения интенсивности теплопереда; чи путем вычисления отнощения текуI щего теплового потока ко времени

I

кристаллизации в течение всего интервала фазового перехода, за счет чего увеличивается выход жизнеспособного, I функционально полноценного биомате- I риала. При этом значительно расширя- I ются возможности исследования и фик- j сации оптимальных режимов прохождени I кристаллизации за счет наличия запоминающего устройства, сокращается время, необходимое для определения задающего сигнала оптимального теплового потока (усредненного на этапе фазового перехода), за счет его автоматического расчета в течение любого текущего момента проведения эксперимента вследствие наличия первого и втор ,го интеграторов,а также блока давления

Формула изобретения

Устройство для программного замо- раживания биообъектов, содержащее каО

дом блока сравнения, входы которого соединены с выходами дифференцирующего и задающего блоков, а выход коммутатора подсоединен к одному входу

0 исполнительного органа, а также блок задания режимов и блок подачи хладагента, связанный с вторым входом исполнительного органа, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что, с целью повыше-

5 ния точности управления кристаллизацией и сохранения жизненных функций биообъектов, устройство снабжено датчиком теплового потока, размещенным на стенке контейнера, подсоеди0 ненным к выходу схемы совпадения источником опорного напряжения, последовательно соединенными с ним первым интегрирующим блоком, блоками деления, запоминающим, первым коммутирующим, сравнивающим блоком, выход которого подсоединен к третьему входу коммутатора, и последовательно соединенными вторым коммутирующим и вторым интегрирующим блоками, при

Q этом датчик теплового потока соединен с входами сравнивающего и второго коммутирующего блоков, второй вход последнего соединен с вькодом схемы совпадения, а выход второго интегри- с рующего блока с вторым входом блока деления, блок задания режимов с вторым входом первого коммутирующего блока.