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Ultradichte Kryoröhrchen als neuartige Primärpackmittel - Ultrakryo

BMWK

Ronald Miksche

+49-351-4081-5121

Minimierung der Kontamination bei der kryogenen Lagerung biologischer Proben

Kryoröhrchen dienen zur Lagerung biologischer Proben in Bio- oder Kryobanken. Die Proben werden dabei in verschließbaren Kunststoff-Röhrchen für eine Lagerdauer von bis zu mehreren Jahrzehnten in großen Tanks oder Tiefkühlschränken gelagert. Dabei herrschen Temperaturen von -85 °C bis zu -190 °C, welche nur in der Gasphase über flüssigem Stickstoff erreicht werden können. Diese Lagerung dient zum einen der Sicherung wertvoller Proben, da biochemische Veränderungen bei Temperaturen unter -135 °C nahezu zum Erliegen kommen. Zum anderen dienen die eingelagerten Proben als Datenbasis für sogenannten Gesundheitsstudien, z.B. der NaKo Gesundheitsstudie. Hierbei ist es eine wesentliche Voraussetzung, dass die verwendeten Packmittel dicht sind, um eine biologische oder chemische Veränderung der Proben durch Kontamination weitestgehend auszuschließen.

Zielstellung

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen Kryoröhrchens, welches den Korpus und den Deckel des Röhrchens stoffschlüssig verbinden kann. Die Verbindung soll mittels Schweißen erfolgen. Für den Fügeprozess ist eine Schweißzange zu entwickeln, die durch Aufschmelzen eines thermoplastischen Werkstoffs beide Komponenten prozesssicher und reproduzierbar miteinander verbindet. Durch die Diffusion der Makromoleküle von Röhrchen und Deckel beim Schweißen soll eine Dichtheit über den gesamten Temperaturbereich von +60 °C bis –180 °C erreicht werden. Bisher ist kein Primärpackmittel als Kryoröhrchen aus Kunststoff bekannt, das über den gesamten Temperaturbereich eine 100%ige Dichtheit gewährleistet. Idealerweise kann das Röhrchen nach dem Schweißprozess per Hand wieder aufgeschraubt werden. Das bedeutet eine Zerstörung der Schweißnaht ohne Kontamination oder Verlust des Inhalts des Röhrchens sowie die Möglichkeit des erneuten manuellen Verschließens. Verwendet werden diese Röhrchen zur Lagerung von Proben in Bio- und Kryobanken, beim Snap-Freezing in kleinen und mittleren Laboren und für Anwendungen in personalisierter Medizin zur Sicherung der genetischen Ressourcen und zur Archivierung des Erbmaterials.

Um diese Ziele zu erreichen, wird eine Reihe von wissenschaftlichen und technischen Problemen mit Hilfe innovativer Ansätze gelöst:

  • Identifikation kritischer und störanfälliger Punkte bei marktverfügbaren Kryoröhrchen und Substitution dieser durch die neue technische Lösung. Dies betrifft in Bezug auf die Konstruktion insbesondere den Übergang zwischen Deckel und Korpus des Röhrchens sowie die für den Schweißvorgang optimierte Geometrie des neu anzubringenden Kragens an Röhrchen und Deckel.
  • Auslegung, Konstruktion und Fertigung der zu entwickelnden Kryoröhrchen und einer Schweißzange. Hierbei stehen vor allem eine zuverlässige Funktion und die einfache Handhabung im Vordergrund.
  • Eine mechanisch und thermisch optimierte Auslegung der Schweißzange, welche Kryoröhrchen unterschiedlicher Durchmesser und Größen zuverlässig fügt. Weiterhin wird eine hohe Durchsatzrate angestrebt, ohne dass die Zange überhitzt oder sich das Röhrchen stark erwärmt.
  • Entwicklung einer einfach bedienbaren Steuerung, welche es ermöglicht, festgelegte Parameter reproduzierbar einzustellen.
  • Integritätsprüfung der gefügten Kryoröhrchen. Neben der erzeugten und reproduzierbaren Fügenaht und dem einfachen Öffnen der Röhrchen ist die erzielte Dichtheit und Tem-peraturwechselbeständigkeit im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Röhrchen wichtig.

Aktueller Projektstand und Ausblick

Die ersten Ergebnisse haben gezeigt, dass die Dichtheit der Kleinserie, welche mit dem Versuchsmuster der Schweißzange verschlossen wurde, ausreichend gut ist und die marktverfügbaren Röhrchen übertrifft, insbesondere nach Kontakt mit flüssigem Stickstoff. Weitere Arbeitsschritte sind die Optimierung des Korpusdesigns und die verbesserte Handhabung des Verschlusswerkzeuges. Anschließend sind weitere Dichtheitsprüfungen durchzuführen. Mittelfristig sollen passende Trägersysteme, sogenannte „Racks“, entwickelt und Versuchsmuster hergestellt werden, um eine komplette Lösung inklusive platzsparender Anordnung der Röhrchen anbieten zu können.


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