Entwicklungsgegenstand

Die Zielstellung des FuE-Vorhabens bestand in der Entwicklung eines sehr kompakten und kostengünstigen Controlled Rate Freezing-Gerätes (CRF-Gerätes) für die programm­gesteuerte Einfrierung jegliche Art von Proben in Multiwell- und Mikrotiterplatten. Durch das kontrollierte Einfrieren von (Bio-)Polymerlösungen im CRF-Gerät können Biomaterialien, pharmazeutischen Katalysatoren und reaktive Filtermaterialien mit offener 3D-Struktur erzeugt werden. Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist die Kryokonservierung lebender Zellen und Gewebe. Das Gerät soll die simultane Einfrierung einer großen Probenzahl (6 bis 384 Proben) in handelsüblichen Gefriergeräten ermöglichen. Als Kühlmittel wird die von der Kältemaschine der Gefriertruhe zur Verfügung gestellte Kaltluft genutzt. Dadurch ist das CRF-Gerät nicht nur unabhängig von einer Versorgung mit einem Flüssiggas als Kältemittel, sondern benötigt im Gegensatz zu maschinengekühlten Einfriergeräten dank seiner kompakten Bauweise keinen zusätzlichen Platzbedarf im Labor. Es kommt vollständig ohne eigene elektrische Kälteerzeugung und die damit verbundene Erhöhung der benötigten elektrischen Versorgungsleistung beim Betreiber aus. Durch die hohe Energieeffizienz moderner Labor­gefriertruhen kann bei der Kälteversorgung eines solchen CRF-Gerätes eine Energieeffizienz erreicht werden, die deutlich über der Effizienz aller verfügbaren CRF-Technologien liegt.

Innovationen des entwickelten Gerätes

1) Höchste Kosten- und Energieeffizienz

• Cooling Rate Controlled Freezing bis -75 °C ohne Flüssigstickstoff und teure, computergesteuerte Einfriergeräte
• Geringer Platzbedarf und einfaches Handling dank kompakter Gerätemaße und eines geringen Gewichtes (< 2 kg)
• Zell- und Gewebekryokonservierung in beliebigen Laborgefrierschränken und -truhen der UHT-Klasse
• Programmgesteuerte Kühl- und Heizraten von 15 – 20 K/min
• In Kombination mit einem passiven Kältespeicher auch für leistungsschwache Kühlgeräte geeignet

2) Controlled Rate Freezing von Multiwell- und Mikrotiterplatten

• Programmgesteuerte Einfrierung von Multiwell- und Mikrotiterplatten anhand der Stellflächen- und Probentemperatur
• Probenspezifische Applikation konstanter Heiz- und Kühlraten sowie isothermer Halteschritte
• Lokale Temperaturabweichung der Proben von unter 2 K
• gleichzeitige Einfrierung von 6 bis 1536 biologischen Proben unter identischen Bedingungen

3) Einsatzgebiete

• Kryokonservierung sensibler Zellen, Gewebemodelle oder explantierter Gewebe in handelsüblichen Laborgefriertruhen
• Herstellung moderner Hochleistungspolymere, so genannter MPCs (makroporöse Cryogele)
• Fertigung definierter 3-dimensionaler Trägerstrukturen für die Zell- und Gewebekultur im patentierten ILK Dresden MBIT-Verfahren in Verbindung mit einem nachfolgenden Gefriertrocknungsschritt

Projektergebnisse

Auf Basis leistungsstarker numerischer Strömungssimulationen konnte aus mehreren konkurrierenden Konstruktionsansätzen ein effizientes Gerätedesign ausgewählt und schrittweise optimiert werden. Das gefertigte Funktionsmuster ist in der Lage, alle gestellten Anforderungen zu vereinen. Aufgrund seines einfachen und robusten Designs ist es verschleiß- und wartungsarm. Eine hocheffiziente Wärmeübertragung und die sehr homogene Temperaturverteilung am Probenträger ermöglichen durch die Kombination mit extrem kurzen Regelstrecken eine softwaregesteuerte Umsetzung hochkomplexer Kühl- und Gefrierprozesse. Durch die strikte Optimierung von Größe und Gewicht ermöglicht dies einen Betrieb in leistungsschwachen Kühlgeräten. In ersten Tests mit zwei konkurrierenden Gerätevarianten wurden konstante Heiz- und Kühlraten von 15 – 20 K/min erzielt.
Die Funktion der gefertigten Gerätemuster wurde durch manuelle Funktionstests erfolgreich evaluiert. Gleichzeitig erfolgte der Aufbau einer automatischen Gerätesteuerung als externe Controllereinheit mit Computerinterface. Für die Bedienung über einen Steuerrechner wurden eine Prozessablaufsteuerung und eine nutzerfreundliche Bediensoftware erstellt.

Ausblick

Die Weiterentwicklung des Gerätes ist geplant. Dabei soll insbesondere eine innovative Technologie zur gezielten Auslösung des Gefrierprozesses („NucStart“) in das Gerät implementiert werden, um bei der Kryokonservierung empfindlicher biologischer Proben, lebender Zellen und Gewebe eine identische und reproduzierbare Prozessführung aller Proben zu gewährleisten.