Thermische Prozeßführung beim Einfrieren und Wiedererwärmen humaner Erythrozyten mit Hydroxyethylstärke

Radvan, Jens; Rau, Günter

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-9672

Thermische Prozeßführung beim Einfrieren und Wiedererwärmen humaner Erythrozyten mit Hydroxyethylstärke

Radvan, Jens (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jens Radvan

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

Umfang[10], 137 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-05-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-9672
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62043/files/Radvan_Jens.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Kryokonservierung (frei) ; Erythrozyten (frei) ; Hydroxyethylstärke (frei) ; Wiedererwärmen (frei) ; Vitalität (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die Optimierung der thermischen Prozeßführung bei der Kryokonservierung humaner Erythrozyten mit dem Schutzadditiv Hydroxyethylstärke derart, daß sich die durch Einfrieren und Wiedererwärmen verursachte Zellschädigung verringern läßt. Maßgeblich dabei war die geplante praktische Umsetzung des Verfahrens zur klinischen Anwendung, die ein Scale-Up auf großvolumige Proben erfordert. Im experimentellen Teil wurden zunächst technische Möglichkeiten zur Erweiterung des beim Einfrieren erzielbaren Kühlratenbereichs bei einem bestehenden, berippten Einfriercontainer aufgezeigt und erprobt. Durch einen Vergleich von stationären und instationären Wärmeübergangsmessungen konnte die Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel Flüssigstickstoff und dem eingesetzten Rippenprofil als Voraussetzung für einen verbesserten Wärmeübergang identifiziert werden. Bei der Entwicklung und Erprobung eines neuartigen Verfahrens zum schnellen Wiedererwärmen wurde der konvektive Wärmeintrag von vortemperiertem Wasser in die aufzutauende Probe durch den Einsatz eines doppelseitig ausgeführten Pralldüsenfeldes realisiert. Dieser Effekt führte in Kombination mit einer orbitalen Schüttelbewegung zu einem deutlich verbesserten Wiedererwärmungsverhalten, was durch die Messung von Temperaturverläufen in lösungsbefüllten Gefrierbeuteln gezeigt wurde. Ein vergleichbarer Effekt ergab sich bei Verwendung niedermolekularer Hydroxyethylstärke, was aus der verringerten Viskosität der Frierschutzlösung resultiert. Eine mit Hilfe eines numerischen Modells durchgeführte Parameterstudie veranschaulicht dabei, daß der verbesserte Wärmeübergang zwischen Eis und dem bereits geschmolzenen Anteil einer aufzutauenden Probe maßgeblich für das verbesserte Wiedererwärmungsverhalten ist, und daß sich dieser Effekt durch eine Vergrößerung des Pralldüsendurchmessers sowie durch eine höhere Frequenz der Orbitalbewegung weiter steigern läßt. Bei Kryokonservierungsstudien zeigte sich eine Kombination des neuen Wiedererwärmungsverfahrens mit der Verwendung niedermolekularer Hydroxyethylstärke als Frierschutzadditiv als wirksames Mittel zur Verringerung der verfahrensbedingten Zellschädigung, so daß die angestrebte Verfahrensverbesserung durch schnelles Wiedererwärmen grundsätzlich erreicht wurde. Eine Variation der Kühlrate beim Einfrieren durch den Einsatz der zuvor erprobten Methoden zeigte zunächst keine absolute Verringerung der Zellschädigung in Zusammenhang mit schnellem Wiedererwärmen. Das Einstellen des hierbei ebenfalls variierten Parameters „NaCl-Konzentration in der Frierschutzlösung“ erwies sich als potentielle Maßnahme zur Verfahrensoptimierung. Durch weitere experimentelle Studien konnten mit der rheooxymetrischen Bestimmung der Sauerstofftransportkapazität sowie einer mehrschrittigen Auswaschprozedur Alternativen zu etablierten Vitalitätstests aufgezeigt werden. Bei Durchführung mehrfacher Frier-Tau-Zyklen ergab sich ein exponentieller Abfall der Zellüberlebensrate mit der Anzahl der Zyklen, was einer konstante Schädigungsrate und damit einer stochastischen Schädigung entspricht.

The objective of this thesis was the optimisation of the thermal processing in cryopreservation of human red blood cells using the cryoprotectant hydroxyethyl starch such that cell damage induced by freezing and thawing can be reduced. The motivation for this work was the clinical application of the cryopreservation protocol, where a scale-up to bulk samples is required. In the experimental part, technical measures where tested and evaluated aiming to extend the range of cooling rates achieved during freezing with a finned freezing container. By comparing measurements of steady state and transient heat transfer, the temperature difference between the refrigerant liquid nitrogen and the finned profile turned out to be the main condition to achieve improved heat transfer. A new thawing device for rapid rewarming of cryopreserved samples was developed. The device is equipped with a double-sided field of jets impinging warmed water directly on the sample. In combination with this improved convective heat absorption, an orbital movement of the sample resulted in a clear improvement of the rewarming characteristics, as shown by temperature courses measured in a sample bag containing a test solution. A similar effect was achieved by using low molecular weight hydroxyethyl starch, resulting from the decreased viscosity of the solution. A numerical study demonstrated that the heat transfer coefficient between frozen and liquid part of a sample during thawing is the key parameter for rapid rewarming. Further improvement can be achieved by increasing the bore diameter of the jets as well as increasing the frequency of the orbital movement. The results of cryopreservation studies indicate that the new thawing procedure is a suitable method to reduce the cellular damage, if the device is used in combination with low molecular weight hydroxyethyl starch as cryoprotective agent. Therefore, the main goal of process optimisation by rapid rewarming was reached. The application of the aforementioned methods of increased cooling rates did not yield less cellular damage, if combined with rapid rewarming. Nevertheless, adjustment of the saline concentration of the cryoprotective solution turned out to be a potential measure to further optimise the cryopreservation protocol. By additional experimental studies, the determination of the oxygen transport capacity by rheooxymetry and a multiple step wash-out procedure were identified as an alternative to established vitality tests. The application of multiple freeze-thaw cycles resulted in an exponential decay of cell survival with the number of cycles indicating a stochastic process.

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