TWOJA PRZEGLĄDARKA JEST NIEAKTUALNA.
Wykryliśmy, że używasz nieaktualnej przeglądarki, przez co nasz serwis może dla Ciebie działać niepoprawnie. Zalecamy aktualizację lub przejście na inną przeglądarkę.
W czasopiśmie International „Journal of Heat and Mass Transfer” ukazał się artykuł podsumowujący wyniki badań nad nową metodą zamrażania tkanek biologicznych. Przeprowadzili je wspólnie naukowiec i (wówczas) doktorant PWr oraz badacz z japońskiego Tohoku Univeristy.
Artykuł opisuje eksperymenty związane z chłodzeniem natryskowym mikrocząsteczkami azotu, które dr inż. Przemysław Smakulski przeprowadził w czasie swojego naukowego wyjazdu w ramach stypendium Monbu-shō na Tohoku University.
Działał we współpracy z prof. Junem Ishimoto z tamtejszego Innovative Energy Research Center oraz dr. hab. inż. Sławomirem Pietrowiczem, prof. uczelni z Katedry Termodynamiki i Odnawialnych Źródeł Energii na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym PWr.
Kluczowa prędkość chłodzenia
Zespół badał technikę wysokowydajnego chłodzenia polegającego na rozpylaniu mikrocząsteczek azotu (Micro-Solid Nitrogen) wytwarzanych w specjalnym przepływowym urządzeniu, zwanym strumienicą. Zaproponowana metoda miała służyć do szybkiego zamrażania komórek biologicznych, czyli krioprezerwacji.
– Postanowiliśmy sprawdzić, czy taka metoda chłodzenia będzie odpowiednia dla szybkiego zamrażania komórek biologicznych – opowiada prof. Pietrowicz. – Prędkość ich zamrażania to kluczowy element w procesie. Jeśli jest zbyt wolna, następuje ich obumieranie. Jeśli natomiast dzieje się to zbyt szybko, kryształy lodu mogą niszczyć strukturę komórek i materiał nie nadaje się do późniejszych badań. Dlatego w czasie procesu zamrażania musimy osiągnąć odpowiedni gradient prędkości schładzania.
Jak podkreślają badacze, doświadczenie pokazuje, że szybkość chłodzenia próbki biologicznej jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na tworzenie się lodu wewnątrzkomórkowego. Musi być odpowiednio kontrolowana, aby chronić strukturę komórki do dalszych analiz medycznych. Obecnie stosuje się dwie techniki chłodzenia: powolne zamrażanie (najczęściej dla oocytów, zarodków czy krwinek czerwonych) lub witryfikację (czyli zeszklenie). Obie wymagają zastosowana CPA, czyli środków krioprotekcyjnych, które mają toksyczny wpływ na komórki. Zwiększając szybkość chłodzenia, można jednak zmniejszyć poziom CPA w bio-próbkach.
- Nasze analizy dały odpowiedź na to, jakie tempo schładzania jest optymalne przy zadanym (możliwie najniższym) stężeniu krioprotektantów dla badanej komórki – podkreśla dr Smakulski.
Ciepło utajone
Technika badana przez naukowców polega na wytwarzaniu w strumienicy mikrocząsteczek azotu i napylaniu nim komórek. Eksperymenty przeprowadzono na 100 próbkach. Dr Smakulski* zaprojektował kampanię pomiarową i dostosował stanowisko badawcze w laboratorium prof. Ishimoto do pomiarów prędkości zamrażania i przepływu strumieni ciepła z wykorzystaniem strumienicy.
W badaniach naukowcy wykorzystali miedzianą płytkę przymocowaną do pojemnika napełnionego wodą destylowaną, grzałkę ceramiczną z zainstalowanym czujnikiem strumienia ciepła i próbki symulujące tkankę biologiczną. Wyniki pokazały, że technika wykorzystująca napylanie mikrocząstek azotu pozwala odebrać ciepło od trzech do sześciu razy szybciej w porównaniu do metody z wykorzystaniem bezpośredniego zatapiania w ciekłym azocie.
Dzieje się tak dzięki wykorzystaniu dodatkowego ciepła utajonego zawartego w mikrocząstkach. Proces ten dodatkowo modyfikuje tzw. krzywą wrzenia, przesuwając uzyskane maksymalne strumienie ciepła (chłodu) dla większych wartości różnic temperatur.
– Dodatkowo, co jest także bardzo ważne, jeśli nie najważniejsze, w czasie procesu zamrażania możliwy jest precyzyjny dobór szybkości schładzania dla konkretnych tkanek, które mogą nieznacznie różnić się składem, a co za tym idzie i właściwościami cieplnymi – dodaje prof. Pietrowicz.
Nie tylko zamrażanie komórek
Jak tłumaczą naukowcy, dokładne sterowanie całym procesem chłodzenia i dobierania różnych prędkości zamrażania może wpłynąć na potencjalny czas i jakość przechowywania próbek.
– Do tego ta metoda może być bardziej użyteczna, do zamrażania wystarczy bowiem niewielkie urządzenia, nie ma potrzeby wykorzystywania dużego zbiornika z ciekłym azotem – dodaje prof. Pietrowicz.
Badacze zaznaczają także, że do tej pory tej techniki nie wykorzystywano do zamrażania komórek, a jako że świetnie sprawdza się w odbieraniu dużych strumieni ciepła, mogłaby znaleźć zastosowanie także w innych obszarach aplikacyjnych.
– Na przykład do czyszczenia półprzewodników i chłodzenia urządzeń elektronicznych charakteryzujących się ultrawysokim strumieniem ciepła oraz w technologii liofilizacji szczepionek – mówi prof. Jun Ishimoto. – Dodatkowo, wykorzystując wodór jako czynnik roboczy zamiast azotu, można wygenerować kriogeniczny drobnocząsteczkowy wodór, przyczyniając się do rozwoju technologii magazynowania i transportu energii wodorowej o dużej gęstości. Jesteśmy więc przekonani, że ta metoda umożliwi zwiększenie tzw. gęstości energii odnawialnej.
Lucyna Róg
