JPS6048481B2 - 生体物質の低温冷凍方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は生体物質を注入装置によつて生体物質用容器内
に注入し、引続き冷凍装置で冷媒によつて冷凍する生体
物質の低温冷凍方法及び装置に関する。

血液、血液成分、、細胞懸濁液の如き生体物質の保存の
為の凍結方法に於て、主要な問題点は、冷凍及ひ解凍工
程の間の生体物質内に含まれている細胞の非可逆的な損
傷を回避又は最小限に保つことである。

その場合本質的な要因として生体物質に対して細胞の保
護の為に寒冷時感染防禦（ＫｒｙＯｐｈｙｌａｋｔｊｓ
ｃｈ）の保護添加剤を混合し、これによつて冷凍された
細胞の長命度を向上させることが明らかに示される。

併しこの目的の為に従来利用されていた例えばグリセリ
ンの如き保護添加．剤は、解凍の後で血液を保存可能と
なす際に費用の大なる洗滌工程を必要とする。何故なら
ばこのような保護添加剤が有桟物に対して非調和性であ
るからである。就中生体物質に調和性のある保護添加剤
の開発しては既に解決法が顕著に進められ二ている。細
胞の破壊を回避する為の第２の本質的な要因は研究が示
している如く、細胞の長命率を約９８％即ち凍結方法が
広範囲に応用出来るような％に保つ為に細胞を細胞に特
有の完全に決定された時間１的な温度幻配によつて冷凍
することである。

この温度勾配以下の冷凍速度の場合には冷凍工程の間に
水の凍結によつて細胞外液体の濃度の増加が生じ、これ
が細胞内及び細胞外の媒質の間の浸透圧の上昇を生ぜし
める。更に冷凍工程の間に水が細胞から引出され、これ
により細胞内溶液の濃度増加が生ずる恐れがある。その
結果は細胞内の蛋白質の変性現象を生ぜしめる。この方
法の上述の如き作用は冷凍作用の速度を高めることによ
つて低減されるのである。就中この場合所定の境界から
細胞内の氷が発生し、これが何れの場合にも細胞を破壊
する。容易に判る如く、その結果生体物質に混せられフ
た保護添加剤も夫々との種類及び濃度に関係して冷凍作
用の温度幻配に影響を与える。

従つて例えば赤血球を約５０％の高い濃度のグリセリン
と混合する場合既に約８ｋ／Ｍｉｎの温度勾配にて極め
て高い血液細胞の長命率が得られるが、１方これに反；
して保護されない赤血球に対しては最良の温度勾配は約
５０００ｋ／Ｍｉｎであり、この場合就中細胞の最大の
長命率は６０％が可能であるに過ぎない。例えは生体物
質用容器内−生体物質用容器としては後述に於て総ての
、生体物質の収容に適した″容器例えば合成材料の袋の
如きものが含まれる一に充填された血液及び保護添加剤
の混合物が単に窒素液内に所定時間場合により振動運動
を与えて浸漬されるか、又は生体物質用容器内に充填さ
れた混合物が容器の内部の温度を監視しながら液体窒素
によつて噴射作用を受ける如き生体物質の低温保存の為
の公知の方法は、１定の細胞に特有な温度勾配を保持し
ても不完全にしか冷凍作用も行い得なかつたのである。
何故ならば時間的に制限され、しかもその作用が変更さ
れ得ない浸漬方法に於ては生体物質／保護添加剤の冷凍
されるべき混合物に関係し、又冷媒／混合物間の熱伝導
に関係して一定の温度勾配が決められ、これが大抵の場
合最良の細胞に特有の温度勾配にせいせい近似させ得る
に過ぎなかつたからである。熱電対により生体物質用容
器の内部の温度の経過を監視する噴射方法は制御作用の
間に大なる無駄時間を有する欠点があり、このような無
駄時間は冷媒供給量の変更及びこれによる生体物質用容
器の内部の温度の変化の間に長い反応時間によつて生す
る。′本発明は、所定の生体物質の冷凍作用をこの生体
物質について最良の認められた温度勾配に応じて正確に
大なる精度及び高度の再現性を保有して行い得ることを
企図して生体物質用容器内に充填された生体物質の低温
冷凍方法及ひ装置を提供することを目的とする。上述の
目的は本発明により、生体物質用容器の外壁の温度経過
を、所定の生体物質について予め与えられた生体物質用
容器の外壁に対する温度勾配に対応して算出されて作ら
れた温度・時間曲線Ｚに適合させることによつて解決さ
れる。

生体物質用容器の内部の生体物質に対する所望の温度勾
配に相当する生体物質用容器の外壁の温度・時間曲線の
事前計算により又この算出された温度・時間曲線に生体
物質用容器の外壁の温度経１過を適合させることによつ
て、所定の生体物質の冷凍作用を、制御作用の間の無駄
時間なしに所望の温度勾配に従つて行うことが可能とな
るのである。

何故ならばこのようにして温度経過の適合を行う際に熱
電対による生体物質用容器の内部の温度経過の監視が不
要となり、生体物質用容器の内部の温度の徐々の変化に
よつて始めて得られる長い反応時間が回避され得るから
である。計算の際に生ずる複雑な、観察される対象物の
厚み、熱伝導係数、熱容量及び熱伝達率並びに多層化程
度の．如き存在する全体の材料の性状、大きさの温度関
連性より得られる熱伝達の問題の数学的解決によつて、
生体物質用容器の内部の生体物質の中央の温度の測定を
行わないでもよいのである。有利な具合で、生体物質用
容器の外壁に対して計算された温度・時間曲線に対して
て冷凍作用を適合させることは液状冷媒を生体物質用容
器に噴射することによつて達成出来、単位時間当りの冷
媒の供給量が生体物質用容器の外壁にて測定された温度
に関係して調節及び（或いは）制御出来るのである。

液状冷媒の噴射の後で徐々に生体物質用容器の内部で変
化する温度によつて生体物質用容器の内部の温度の測定
の際に得られる如き制御の遅延は本発明に於ては生じな
い。これによつて所望の温度勾配が確実に保たれ得るの
である。 ・本発明思想の有利な構成により、生体物質
用容器は冷凍作用の間に外側から電気的に加熱されて、
これにより、噴射の際に生体物質用容器に対する冷媒の
供給量の制御により行われる制御に加えて附加的に冷凍
作用の制御を行う補足的な可能 ι性が得られる。この
場合加熱によつて所定の温度勾配の極めて正確な保持が
達成出来る。破壊を避ける為に僅かなｋ／Ｍｉｎの極め
て小さい温度幻配でしか冷却されてはならないような種
類の細胞の冷凍、例えば血小板又はリンパ球の如き粒子
状の血液成分の冷凍を行う為には、生体物質用容器を例
えば合成材料の板の如き、熱伝導性の不良な材料から作
られた板厚が生体物質用容器の外壁に対する温度・時間
曲線に関係して算出して決められた板の間に埋めて、引
続き液状冷媒内に浸漬するのが有利である。

この楊合、生体物質用容器を浸漬作用の間外側から生体
物質用容器の外壁に対する温度・時間曲線に対応して加
熱するのが同様に有利である。

所望の温度幻配に冷凍作用を適合させることは１方では
熱伝導性の不良な材料の板の厚みの条件により、他方で
は生体物質用容器の外壁の加熱によつて、その場合加熱
作用は実際の温度の測定及び外壁について計算された温
度・時間曲線に対して実際の温度を比較することにより
制御出来る。その際板の取付は先ず冷凍速度の粗い制御
を行い、１方加熱は微細調節を行う。噴射冷却による本
発明の方法を実施する装置は有利に冷却通路を有し、無
菌状態の室内に配置される冷凍器と、液状冷媒の供給装
置と、調節及び（或いは）制御ユニットとを含み、冷却
通路は液状冷媒の供給装置に連結され、供給装置は調節
及び（或いは）制御ユニットに連結されている。

この場合冷却通路内に配置される例えば垂直な、ノズル
を設けられた銅管より成る噴射装置が液状冷媒を直接冷
却通路内に入れられた生体物質用容器の表面に分布させ
る如くなし得る。冷却通路の内部に調節及び（或いは）
制御ユニットと連結される熱電対が、冷却通路内に入れ
られた生体物質用容器の表面に載置される如く配置され
るのが特に有利であることが証明されている。

予め与えられた、同様に予め与えられた生体物質を充填
された生体物質用容器及ひ予め与えら５れた生体物質用
容器の幾何学的形態に対して生体物質用容器の内部の生
体物質の所望の温度幻配に対応する生体物質用容器の外
壁に対する温度・時間曲線が予め計算可能であるから、
調節及ひ（或いは）制御ユニットは生体物質用容器の外
壁にてク測定された温度値を予め算出された温度・時間
曲線と比較し、これに応じて生体物質用容器の外壁に於
ける温度値の制御を液状冷媒の供給装置によつて行うこ
とが出来る。これによつて生体物質用容器内に充填され
た生体物質の無菌保存に関して通常の如く生体物質用容
器の内部に熱電対を配置する場合に生する問題が問題に
ならなくなるのみでなく、生体物質用容器の外壁の温度
の測定により生体物質用容器の内部の生体物質の予め与
られた冷却作用に望まれる温度・時間曲線が無駄時間を
著しく低減せしめて監視され得るのである。生体物質用
容器の制御された加熱を行う可能性は、冷却通路内にて
噴射装置の内部に生体物質用容器の保持装置を配置し、
保持装置の外側に調節及び（或いは）制御ユニットと連
結される加熱装置を設けることである。この楊合保持装
置は、例えば生体物質用容器の２つの外形輪部に似せて
形成された板より成り、これらの板の間にばね及びレバ
ー作用によつて生体物質用容器が緊締され得る如くなし
得る。板の外側面には例えば電気加熱コイルがシリコー
ンゴム内に埋設して取付けられ、これの容器及び単位時
間当りの冷媒の供給量が生体物質用容器の外壁にて測定
された温度に対応して調節及ひ（或いは）制御ユニット
を経て制御されることが出来る。供給装置としては、こ
れが液状冷媒の容器と共に又ガス状の冷媒の容器を有し
、これが液状冷媒の容器に対して調節及び（或いは）制
御ユニットを経て連結される場合有利である。

これによつて液状冷媒の容器の内部に常に均等な過圧が
生じ得．る。所望の供給量に対応して調節及び（或いは
）制御ユニットにより制御される弁によつて液状冷媒を
取出すことにより容器内の液面従つて液面上の容積空間
内にある圧力が低減される場合には調節及び（或いは）
制御ユニットに伝達される信号こが圧力降下を知らせ、
これにより液状冷媒の容器内のガス状冷媒が取出しの為
に重要な予め与えられた過圧を得る迄流入され得るので
ある。浸漬冷却による本発明の方法を実施する為の装置
は液状冷媒の容器と、浸漬装置と、又有利な具３合に浸
漬装置に懸架される生体物質用容器を熱伝導性の不良な
材料の板の間に配置させる為の保持装置と、制御装置と
を有し、この制御装置は熱電対及び加熱装置に連結され
ている。

この場合熱電対は生体物質用容器と熱伝導性の不良な材
料の板４・との間に配置される金属板の容器に向く側の
内側面に、又加熱装置がこれの外側面に取付けられるの
である。本発明の更に詳細な構成は第１図及び２図に概
略的に示された本発明の方法を実施する為の２つの実施
例によつて詳述される。

第１図に於て符号１によつて無菌状態に封止された室が
示され、これの中に垂直な冷却通路３を・有する冷凍器
２が配置され、この冷却通路は内壁面に沿つて液状冷媒
の噴射装置４を有する。

噴射装置４は例えば垂直な、ノズルを設けられた銅管よ
り成ることが出来る。噴射装置４の内部には冷却通路３
内に入れられる生体物質を充填された生フ体物質用容器
６の保持装置５が取付けられ、この保持装置は例えば生
体物質用容器の外形輪部に似せて形成された板となすこ
とが出来、これらの板の間に生体物質用容器６がばね及
びレバーの力によつて緊締されるのである。保持装置５
の外側に１てシリコーンゴム内に埋設された加熱コイル
７は生体物質用容器６の加熱を可能とする。保持装置５
の内側に配置される熱電対８は、生体物質用容器６を保
持装置５に取付けた時に生体物質用容器の表面に接触さ
れるから生体物質用容器６の外壁にて測定された温度値
を無菌の室１の外側に配置される調節及び（或いは）制
御ユニット９に伝達出来る。この調節及び（或いは）制
御ユニットは加熱コイル７、熱電対８及び同様に無菌の
室１の外側に配置される液状冷媒の噴射装置４に対する
供給の為の供給装置１１と連結されているから、噴射装
置４への液状冷媒の単位時間当りの供給量も、又加熱コ
イル７の加熱容量も熱電対８により生体物質用容器６の
外壁にて測定された温度に対応し、又これと比較される
べき予め与えられた温度に対応して制御されることが出
来る。

供給装置１１から弁１０に対する液状冷媒の１定の供給
を常に可能にする為に、供給装置は液状冷媒の容器１２
と共に調節及び（或いは）制御ユニットを経て容器１２
に接続されるガス状冷媒の容器１３を有し、液状冷媒の
容器の内部の調節される過圧を正しく保つようになされ
ている。

第２図に於て符号２０により液状冷媒の容器が示され、
符号２１により浸漬装置が示され、このものは例えは種
々の高さにて導かれる推進装置となすことが出来る。浸
漬装置２１には保持装置２２が懸架され、このものは大
きさが調節され得る粱締装置となし得る。保持装置２２
は金属板２５及び熱伝導性の不良な材料より作られた板
２３の間に配置される生体物質用容器２８を受入れるに
役立ち、保持装置２２は板２３を上端及び下端のみで把
持するようになつている。保持装置２２の大きさは予め
与えられた温度幻配に対して算出された燃伝導性の不良
な材料の板２３の厚みに合されている。冷凍作用の微細
調節の為には第１図の例と同じく、生体物質用容器２８
に向く側の金属板２５の表面に熱電対２６が配置され、
これが制御装置２７に連結される。制御装置２７には同
様に金属板２５の生体物質用容器２８とは反対に向く側
に取付けられた加熱装置２４が接続される。金属板２５
は熱電対２６及び加熱装置２４の支持装置として考えら
れるだけでなく、これらの金属板は又同時に例えは合成
材料より作られた生体物質用容器の附形及び熱の移動の
均一化に役立つ。制御装置２７によつて加熱装置２４の
加熱容量が生体物質用容器の外側の実測温度及び算出さ
れた温度・時間曲線の間の温度差に対応して制御され得
るのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は生体物質用容器が液状冷媒を噴射される場合の
本発明による冷凍装置の説明図。 第２図は生体物質用容器が液状冷媒内に浸漬される場合
の本発明による冷凍装置の説明図。１ ・・・・・・無
菌の室、２ ・・・・・・冷凍器、３ ・・・・・・冷
却通路、４ ・・・・・・噴射装置、５ ・・・・・・
保持装置、６ ・・・・・・生体物質用容器、７ ・・
・・・・加熱コイル、８ ・・・・・・熱電対、９ ・
・・・・・調節及び（或いは）制御ユニット、１０・・
・・・・弁、１１・・・・・・液状冷媒供給装置、１２
・・・・・・液状冷媒容器、１３・・・・・・ガス状冷
媒容器、２０・・・・・・液状冷媒容器、２１・・・・
・・浸漬装置、２２・・・・・・保持装置、２３・・・
・・・熱伝導性の不良な材料の板、２４・・・・・・加
熱装置、２５・・・・・・金属板、２６・・・・・・熱
電対、２７・・・・・・制御装置、２８・・・・・・生
体物質用容器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 生体物質を注入装置によつて生体物質用容器内に注
   入し、引続いて冷凍装置内で冷媒によつて冷凍する生体
   物質の低温冷凍方法に於て、生体物質用容器の外壁に於
   ける温度経過を、所定の生体物質について予め与えられ
   た生体物質用容器の外壁に対する温度勾配に対応して算
   出された温度・時間曲線に適合せしめることを特徴とす
   る生体物質の低温冷凍方法。 ２ 前記生体物質用容器に液状冷凍を噴射し、単位時間
   当りの冷媒の供給量を、生体物質用容器の外壁にて測定
   された温度に関係して調節及び（或いは）制御すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記生体物質用容器を液状冷媒内に浸漬し、生体物
   質用容器を板厚が生体物質用容器の外壁の温度・時間曲
   線に関係して算出して得られた寸法の熱伝導率の不良な
   材料より作られた板の間に埋めることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 前記生体物質用容器を冷凍工程の間外側から加熱す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項の
   内の何れか１項に記載の方法。 ５ 生体物質を注入装置によつて生体物質用容器内に注
   入し、引続いて冷凍装置内で冷媒によつて冷凍する生体
   物質の低温冷凍装置に於て、冷却通路３を有する冷凍器
   ２と、液状冷媒の供給装置１１と、調節及び（或いは）
   制御ユニット９と、前記調節及び（或いは）制御ユニッ
   ト９に連結され、前記冷却通路３内に配置されて生体物
   質用容器６の表面に載置された熱電対８と、前記冷却通
   路３内に配置された液状冷媒の噴射装置４とを有し、前
   記熱電対８は前記冷却通路３内に入れられた生体物質用
   容器６の表面に載置されるように配置されており、前記
   冷却通路３は前記調節及び（或いは）制御ユニット９を
   経て液状冷媒の供給装置１１に連結されていることを特
   徴とする生体物質の低温冷凍装置。 ６ 前記冷却通路３は前記噴射装置内に配置されて外側
   に加熱装置７を設けられた生体物質用容器６の保持装置
   ５を有し、前記加熱装置７が前記調節及び（或いは）制
   御ユニット９に連結されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第５項記載の装置。 ７ 前記供給装置１１が液状冷媒の容器１２及びガス状
   の冷媒の容器１３を有し、前記ガス状の冷媒の容器１３
   が前記液状冷媒の容器１２に対して前記調節及び（ある
   いは）制御ユニット９を経て連結されて液状冷媒の容器
   １２内に調節可能の過圧を正しく保持する如くなつてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第５項又は第６項の
   内の何れか１項に記載の装置。 ８ 生体物質を注入装置によつて生体物質用容器内に注
   入し、引続いて冷凍装置内で冷媒によつて冷凍する為の
   、前記生体物質用容器を液状冷媒内に浸漬して冷凍する
   液状冷媒の容器及び浸漬装置を有する生体物質の低温冷
   凍装置に於て、前記生体物質用容器を熱伝導率の不良な
   材料２３より作られた板の間に配置させる為の前記浸漬
   装置２１に懸架される保持装置２２と、熱電対２６及び
   加熱装置２４に連結される制御装置２７とを有し、前記
   熱電対２６が生体物質用容器２８及び熱伝導率の不良な
   材料２３より作られた前記板の間に配置される金属板２
   ５の生体物質用容器２８に向いた内側に、又前記加熱装
   置２４が前記金属板２５の外側に取付けられていること
   を特徴とする生体物質の低温冷凍装置。