JPH0240467A - 生物体の冷凍凍結装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 応用すべき産業分野 本発明は、低温生物学および低温医学に関し、より詳細
には、生物体（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｏｂｊｅｃｔｓ
）の冷凍凍結装置に関する。

本発明は、臨床的ブラクティスで適用できる懸濁液、液
体または固体組織および器官などの生物体の低温保存に
応用する時に最も大きい実用性を見出すことができる。

それに加えて、装置は、農業、特に畜産における生物体
の低温冷凍凍結に応用できる。

また、本発明は、生命力が低温で長期間保存されるべき
種類の生物体の低温保存用用途を見出すことができる。

本発明は、他の方法によっては達成できない生物体の冷
凍時間のかなりの短縮が必要とされる時にはいつでも利
用できる。

高品質低温保存生物学的材料における公衆衛生サービス
および国民経済の増大された要件は、フリーザーの効率
を増大し且つそれらの構造を単純化することによって低
温保存法の更なる改良を引き出した。液体窒素中での直
接浸漬による迅速な冷凍によって生物体を低温保存しよ
うとする試みは、満足な結果を生ずるのに失敗し、一方
、結晶化プロセスの発生をベースとする現存のフリーザ
ーの操作原理は、凍結すべき細胞にかなりの損傷を与え
るので、凍結すべき生物体においてガラス化効果を達成
する際に役立つであろう構造的に単純で実用上効率良い
冷凍凍結装置の骨折っての製作の必要が生じた。

従来の技術 実際上すべての低温凍結法は、プログラム化冷凍の原理
に基づく。結晶化プロセスの否定的表明に対して保証す
るために、凍結は、低温保存の媒体中で実施し、一方、
低温保存組成物の一部分を構成する低温保護剤（ｃｒｙ
ｏｐｒｏｔｅｃｔｏｒｓ）は生物学的構造物に無関係で
あるが、多少毒性であり、生体高分子に対して悪影響を
生じ、特に低温保護剤の濃度が増大される時（このこと
は水の凍結および純粋な氷になることに関係する）生体
高分子に対して悪影響を生ずる。このような低温保護剤
の共融濃度は、６０〜７０％程度に等しい。

胚の高精度凍結は、動物胚のプログラム化凍解装置によ
って実施する（ＳＵＡ第 ９８９．２７２号明細書）。この装置は、胚が入れられ
たコンテナを収容する断熱タンク、コンテナのホルダ、
中間熱媒を攪拌する装置、および凍結プロセスを制御す
るシステムを含む。タンクは、カバーを有し、一方、中
間熱媒の温度を維持する装置はコイルピッチがタンク底
に向けて増大するようにタンク内面上に配置されたパイ
プコイルとして作られ、且つコンテナのホルダはカバー
内に固着されている。

前記装置による低温保存時の胚の低温保存は、結晶化プ
ロセスの発生が凍結すべき細胞の脱水を生ずるような結
晶化開始技術によって実施されていることに注目する価
値がある。このことは、そこに貯蔵するために胚を液体
窒素に運ぶ時に細胞内結晶化を回避することを可能にす
る。細胞の漸次脱水の必要は、結晶化プロセスが余りに
遅くのみ発生するような遅い速度で細胞を冷凍させる。

問題の生物学的構造物は、１．５〜２時間のような長期
間極囚子（ｅｘｔｒｅｍｅ　ｆａｃｔｏｒ）の効果にさ
らされる。前記因子は、水凍結および電解質濃度の増大
、ｐＨ値の変化、氷結晶の成長などに関係する。このよ
うな低温保存条件下では、低温保護剤の高（１〜３Ｍ）
６度の必要が生ずる。このことは、遅い結晶化発生の条
件下での細胞に対する毒性および擬似毒性効果、従って
、液相に対する細胞の長期の露出を生ずる。

それに加えて、前記装置は、余りに狭い冷凍速度の範囲
、即ち、０．３〜ｂ このことは、低温保存法の能力を限定し、このように組
成が現存の方法の最適化を妨げる広く標準の低温保存剤
（ｃｒｙｏｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｖｃｓ）を使用させる
。

この不利は、必須であるので、胚の低温保存の常法は適
当に高く安定な生存率を与え損なう。このことは、不育
症を減少しようと努める臨床的ブラクティスにおいて胚
を使用して系統ストック育成および公衆衛生サービスに
おける移植結果に悪影響を及ぼす。

更に、装置は、構造が複雑であり、一般に実用装置を取
り付けていない高価な部品を組み込んでいる。

装置は、低温保存技術だけではなくこのような装置の設
定技術にも良く精通しているべきである取扱熟練者を必
要とする。

各種の材料、例えば、食料品の冷凍は、液体窒素、フレ
オンまたは酸化窒素に浸漬することによって実施できる
ことは常識であり〔ビッグ・ソビエト・エンサイクロペ
ディア、第３版、第９巻、１９７２年、ソベツカヤ・エ
ンサイクロペディア・パブリッシャー、第３２７頁（ソ
連）〕、且つ全く多数の装置がその目的で提案されてい
る。

しかしながら、生物学的材料を保持するコンテナを液体
冷媒に直接浸漬することに基づく生物学的構造物の迅速
な冷凍法の実施に適した装置は、４００または５００℃
／分を超える冷凍速度を達成し損なう（これは結晶化プ
ロセスの発生を回避し且つ非常に小さい生物学的試験片
においてさえガラス化を引き出すのには全く低い）。

それゆえ、このような場合には、高濃度の低温保護剤（
５０または６０％）を低温保存剤に配合することに頼る
べきである。このことは、前記冷凍速度でさえガラス化
プロセスを達成するのを可能にする。

しかしながら、前記濃度の低温保護剤の適用は、低温保
存剤の添加段階または解凍後の低温保存剤の除去段階で
生物学的構造物の重い損傷を生ずる。

液体窒素中での直接浸漬の場合における生物学的試験片
のこのように低い冷凍速度は、冷媒、例えば、窒素の蒸
気からなり且つ非冷却容器と一１９６℃を有する液体窒
素との間の温度差に由来する断熱遮蔽が生物学的試験片
を保持するコンテナの回りに形成されるという事実に関
係する。

このような遮蔽の存在は、生物体の冷凍速度を、結晶化
プロセスが発生し前記プロセスを抑制するために高濃度
低温保護剤を配合した低温保存剤の使用を含むような速
度に減速する。

解決すべき課題 本発明の目的は、ガラス化の発生を促進するであろうよ
うな構造を有する生物体の冷凍凍結装置を提供すること
にある。

課題を解決するための手段 前記目的は、冷媒用断熱タンクおよび生物体用コンテナ
を含む生物体の冷凍凍結装置であって、高い熱伝導性材
料から作られた容器が設けられ、該容器はタンク内に収
容されており且つ生物体を有するコンテナが浸漬するた
め高い熱拡散性粉末状材料で充填されていていることを
特徴とする生物体の冷凍凍結装置という事実のため達成
される。

提案された方法は、生物体を有するコンテナの回りの窒
素蒸気の断熱遮蔽の形成を妨げることを可能にし、この
ことは生物体の冷凍速度を粉末状材料の種類、その分散
度およびそれらの粒子の形状に応じて数万度／分まで増
大することを可能にする。

その結果、水の分子は、結晶格子に配置されるようにな
るのに十分な時間を有しておらず、それゆえ、水凍結は
ガラス化によって生じ、このことは結晶化プロセスの発
生および走行と関連する極因子による生物学的構造物上
に生ずる悪影響を完全に除外または最小限にし、この悪
影響は氷結晶による生体高分子に対する機械的損傷にお
いて、超濃厚塩溶液の変性効果において且つ浸透効果に
おいて、前記構造物に対する不可逆の損傷を生ずる生物
学的構造物の過度の脱水において、明示される。

本発明の好ましい態様においては、金属は、高い熱拡散
性粉末状材料として使用される。

有利には、金属酸化物は、高い熱拡散性粉末状材料とし
て使用される。

本発明の別の態様の１つによれば、金属合金は、高い熱
拡散性粉末状材料として使用される。

本発明の更に他の態様によれば、互いに各種の比率で取
られる金属と金属酸化物と金属合金とを含む混合物は、
高い熱拡散性粉末状材料として使用される。

適当な粉末状材料の選択は、対応の処方の低温保存剤を
使用して凍結すべき生物体内にガラス化を発生させるの
に必要とされる時間に依存する。

本発明の更に他の目的および利点は、添付図面を参照し
て以下の特定の態様の具体的説明からより明らかになる
であろう。

態様 本発明の装置は、断熱性材料、例えば、発泡プラスチッ
クから作られ且つ冷媒２で充填するのに適したタンク１
（第１図）を含む。タンク１は、高い熱伝導性材料、例
えば、金属から作られる２個の容器３．４を収容してい
る。容器３は、高い熱拡散性粉末状材料５で充填するの
に適しており、一方、容器４は、冷媒２で充填するのに
適している。電気駆動装置７を有する攪拌機６は、容器
３内に設置されている。タンク１は、それぞれの容器３
．４の上に配置された２個の通し穴９．１０を有するカ
バー８を備えている。

装置は、凍結すべき生物体を保持するコンテナ１２を把
持する機構１１を備え、且つ水平および垂直直線運動を
コンテナ１２に付与する駆動装置１３．１４を備えてい
る。

コンテナ１２は、伺えば、アルミニウム箔から作ること
ができる。

高い熱拡散性材料５として、個々に取られるか互いに各
種の比率で取られる金属、金属酸化物、または金属合金
が、使用できる。

本発明の装置は、次の通り操作する。

操作前に、カバー８を取り外し、タンク１および容器４
に冷媒２、例えば、−１９６℃の温度を有する液体窒素
を充填し、一方、容器３に高い熱拡散性粉末状材料５を
充填する。次いで、攪拌機６の駆動装置７を係合して容
器３中の材料５の温度を釣り合わせ、その際にタンク１
をカバー８で閉じる。−旦材料５が冷媒温度に冷却した
ら、生物体が充填されたコンテナ１２を機構１１（第１
図）によって把持し、駆動装置１３．１４を使用して、
穴９を通して容器３に導入しく第２図、第３図）、その
容器に保持された粉末状材料５に浸漬する。５〜１０秒
で、凍結生物体を有するコンテナ１２を駆動装置１３．
１４によってタンク１から排出しく第４図）、穴１０に
前進させ、その際に容器を短時間貯蔵のために（数日）
前記穴を通して容器４（第５図）に挿入する。

提案された装置の実用性を確認するために、−５０℃の
温度への水試料の冷凍および凍結を実施した。Ｏ，１ｍ
１８量を有し且つ厚さ０．０３ｍｍの食料品筒から作ら
れたコンテナ１２に水を充填し、冷媒２の温度に冷却さ
れた粉末状アルミナ（Ａ　１２０３　）が充填された容
器３に浸漬する。

その結果、−５０℃の温度が、０．９５秒で達成される
。コントロール生物学的試験片を液体窒素が充填された
容器４に入れ、−５０℃の温度が達成される時間は１．
８７秒に等しい。他の粉末状材料を使用して得られる結
果を以下に表示する。

得られた結果は、粉末状材料５が充填された容器３を冷
媒に浸漬することが（前記粉末状材料はコンテナ１２に
おいて生物体用冷媒として役立つ）凝固時間を１／２か
ら１／１５に減少することを可能にし、それによって装
置が低温生物学、および低温医学で使用できることを実
証している。

発明の効果 本発明は、臨床的ブラクティスで応用できる生物体、例
えば、懸濁液、液体および固体組織および器官の冷凍お
よび凍結の応用を見出すことができる。

更に、装置は、農業、特に畜産、魚の繁殖、並びに植物
成長における生物体の冷凍および凍結に応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は生物体を保持しているコンテナを把持しようと
する瞬間における本発明に係る装置の概略機能線図、第
２図は生物体を保持しているコンテナを冷媒タンクに向
けて移す瞬間における第１図の装置の線図、第３図は生
物体を保持しているコンテナを高い熱拡散性粉末状材料
が充填された容器にどのように浸漬するかを示す図、第
４図は生物体を保持しているコンテナを高い熱拡散性粉
末状材料が充填された容器から排出しようとする瞬間に
おける第１図の装置を示す図、第５図は凍結生物体をそ
こで貯蔵するための冷媒が充填された容器に入れる瞬間
における第１図の装置を示す図である。 １・・・タンク、２・・・冷媒、３・・・高い熱拡散性
粉末状材料用容器、４・・・冷媒用容器、５・・・高い
熱拡散性粉末状材料、６・・・攪拌機、７・・・攪拌機
駆動装置、８・・・カバー、・９・・・穴、１０・・・
穴、１１・・・コンテナ把持用機構、１２・・・生物体
用コンテナ、１３・・・コンテナ水平運動用駆動装置、
１４・・・コンテナ垂直運動用駆動装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷媒（２）用断熱タンク（１）、および生物体用コ
   ンテナ（１２）を含む生物体の冷凍凍結装置であって、
   高い熱伝導性材料から作られ且つタンク（１）に収容さ
   れた容器（３）が設けられ、該容器（３）は高い熱拡散
   性粉末状材料（５）で充填され且つ生物体を有するコン
   テナ（１２）を収容するのに適していることを特徴とす
   る生物体の冷凍凍結装置。 ２、金属が、高い熱拡散性粉末状材料（５）として使用
   されてなる、請求項１に記載の装置。 ３、金属酸化物が、高い熱拡散性粉末状材料（５）とし
   て使用されてなる、請求項１に記載の装置。 ４、金属合金が、高い熱拡散性粉末状材料 （５）として使用されてなる、請求項１に記載の装置。 ５、互いに各種の比率で取られる金属と金属酸化物と金
   属合金との混合物が、高い熱拡散性粉末状材料として使
   用されてなる、請求項１に記載の装置。