Устройство для замораживания и хранения клеток ткани

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.

 

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).

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.