Уважаемые посетители! На сайте проводятся технические работы. Некоторые страницы могут быть недоступны.

Подразделы:

Криогеника и жизнь

Скачать статью в PDF


П.И. Бахметьев
П.И. Бахметьев

Основоположником криобиологии считается русский учёный П. И. Бахметьев. Бахметьев Порфирий Иванович (1860г. — 1913г.) – русский естествоиспытатель, биолог и физик. Отец Порфирия Ивановича был крепостным. Но еще до отмены крепостного права он смог выкупиться на волю и открыл в городе Сызрани винокуренный завод. Сыну дал по тому времени хорошее образование - городское реальное училище. Затем Порфирий Бахметьев учился в Цюрихском университете (1879-85). В 1890-1907 годах Бахметьев - профессор Софийского университета. В 1913 году читал лекции в университете Шанявского (Москва). Автор более 200 работ по физике и биологии, математике, медицине, биометрии. Исследовал влияние переохлаждения на организм животных. Первым экспериментально вызвал анабиоз у млекопитающих – у летучих мышей. Охлаждая их до -4°С (тело летучей мыши при этом полностью замерзало), а затем отогревая, Бахметьев наблюдал полное восстановление всех функций организма.

Также нельзя не упомянуть австрийского учёного Г. Рама, который в 1923 г. установил способность различных организмов (микроорганизмы и беспозвоночные), а также спор и семян переносить в высушенном состоянии глубокое охлаждение даже в жидком гелии (-269°С), т.е. до температур, близких к абсолютному нулю. В дальнейшем было показано, что некоторые растения и животные выживают при замерзании содержащейся в них воды. Например, такие высокоорганизованные существа, как гусеницы некоторых бабочек, предварительно закалённые, т.е. адаптированные к холоду, "оживали" после длительного замораживания при -78°С, -196°С и даже -269°С.

Успехи экспериментов по криогенному анабиозу живых организмов дают почву для обсуждения панспермии – гипотезы о появлении жизни на Земле путем занесения её из космического пространства на метеоритах и кометах. Лабораторные эксперименты подтверждают возможность выживания микроорганизмов в космическом пространстве. Следующий шаг – эксперименты в космическом пространстве и при вхождении в плотные слои атмосферы.

Одна из основных проблем криобиологии – выяснение процессов, сопровождающих охлаждение живых систем и ведущих к необратимым повреждениям. Причин, вызывающих повреждения при охлаждении и отогревании, много. Выделяют три этапа деструкции тканей: механическое разрушение при заморозке и оттаивании, нарушение микроциркуляции крови и инициированная холодом естественная смерть клеток (апоптоз).

Наиболее изученная проблема – деструкция тканей при замораживании и отогревании. Можно выделить три отдельных механизма разрушения тканей. Во-первых, это разрушение клеточных мембран при замерзании вследствие образования кристаллов льда и механического их воздействия на мембрану. Во-вторых, повреждения, возникающие при рекристаллизации льда, при отогревании. В-третьих, обезвоживание, т.е. рост концентрации электролитов в клетке («осмотический шок»).

Криобиология, несмотря на свою молодость, имеет много практических применений, некоторые из них распространены повсеместно. Самым известным таким применением является криоконсервация – сохранение биологических объектов при криогенных температурах. Чаще всего используют температуру жидкого азота (-196°С), реже сухого льда (-79°С).

Низкотемпературное консервирование – многоэтапный и многофакторный прцесс, при котором биологические объекты подвергаются действию разных физико-химических воздействий, обусловленных изменениями температуры, состава и состояния компонентов системы. Современной тенденцией развития криобиологии является отказ от эмпирических принципов исследования, глубокое изучение механизмов криоповреждений и криозащиты, а также разработка на этой основе необходимых и достаточных условий эффективного низкотемпературного консервирования биообъектов.

Криоконсервации успешно подвергаются отдельные клетки, клеточные структуры, ткани (кровь и ее компоненты, сперма), ранние преимплатационные эмбрионы. Надежные методы криоконсервации целых органов пока не разработаны, сложности связаны, в основном, с невозможностью обеспечить требуемую высокую скорость охлаждения по всему объему.

В настоящее время во всем мире ведутся интенсивные научноисследовательские работы по изучению стволовых клеток, интерес к которым вызван их способностью к неограниченному самообновлению и образованию всех типов дифференцированных клеток в организме. С терапевтическим применением этих клеток связывают надежды на прорыв в лечении онкологических, гематологических, неврологических и других заболеваний. Использование стволовых клеток открывает неограниченные перспективы трансплантологии, вплоть до создания новых органов.

Криогенный трубопровод в
хранилище стволовых клеток
Криогенный трубопровод в хранилище стволовых клеток

Успешная криоконсервация биологических объектов была бы невозможна без применения криопротекторов – веществ, задача которых состоит в защите объектов от криоповреждений. Существует большое количество веществ, обладающих необходимыми свойствами. Некоторые живые организмы, например, лягушки, способны самостоятельно вырабатывать в своем организме такие криопротекторы, как глюкоза, мочевина, глицерин и другие. Благодаря этому некоторые виды лягушек способны пережить температуры до -30°С, при этом у них замерзает до 60% жидкости в теле.

В медицинской и лабораторной практике применяют два типа криопротекторов: проникающие и непроникающие. К первому типу относят вещества, проникающие внутрь клетки. Они препятствуют образованию кристаллов льда в клетке за счет связывания молекул воды дополнительными водородными связями. Ко второму типу относят криопротекторы, не проникающие внутрь клетки. Сами по себе они не эффективны, однако в сочетании с проникающими криопротекторами они снижают скорость роста кристаллов льда и предохраняют клетку от резких перепадов концентрации электролитов (осмотического шока).

Для различных клеток и тканей используют специфические, наиболее подходящие в каждом конкретном случае криопротекторы. Однако значение имеет не только выбор типа вещества, но и методика его применения – концентрация, способ и скорость насыщения тканей, метод вывода криопротектора после оттаивания.

Криогенный  трубопровод
с  экранно-вакуумной  изоляцией  производства MV&F в криобанке биоматериалов
Криогенный трубопровод с экранно-вакуумной изоляцией производства MV&F в криобанке биоматериалов

Смежная с криоконсервацией область – криофиксация. Замораживание биологических объектов используется для их исследования с помощью методов электронной микроскопии, нейтронной кристаллографии и других. Перед исследователями стоит две практические задачи – зафиксировать структуру объекта – ткани, клетки, органелл или отдельных макромолекул – и «нарезать» образцы на тонкие слои, так как электронный пучок не может просвечивать толстые объекты. Для сохранения структуры объекта используют метод сверхбыстрой заморозки. В таком случае вода переходит в состояние аморфного льда (так называемый процесс витрификации, от лат. vitrum – стекло). Аморфный лед повторяет структуру жидкой воды и, в отличие от кристаллического льда, не приводит к механическому разрушению биологических объектов. Ключевыми моментами в технике витрификации являются скорость охлаждения и применение криопротекторов.

Изучение белков и других макромолекул методом нейтронной кристаллографии требует обратного эффекта – кристаллизации образца. В данном случае определяющим параметром является качество кристалла, т.е. уровень «мозаичности».

Еще одно применение низких температур – создание искусственных тканей. Пористую структуру коллагеновой губки получают сушкой кристаллизованной суспензии коллагена. Характерные размеры пор определяются морфологией кристаллов льда при заморозке.

Для всех вышеизложенных применений необходим криоагент, которым в подавляющем большинстве случаев является жидкий азот, и оборудование для работы с ним. Компания MV&F предлагает полный спектр оборудования для криогенных жидкостей: малые криогенные сосуды и транспортные полетные танки объемом от 28 л до 640 л, стационарные криогенные емкости большого объема, гибкие и жесткие трубопроводы с экранно-вакуумной изоляцией, запорно-регулирующая и предохранительная арматура, специализированные криостаты по ТЗ заказчика.

Байонетный  разъем  криогенного трубопровода производства
MV&F
Байонетный разъем криогенного трубопровода производства MV&F

Отдельно стоит обратить внимание на системы транспортировки криогенных жидкостей. Криогенные трубопроводы требуют теплоизоляции, ну а бесспорным лидером здесь является экранно-вакуумная изоляция (GW Июль/Август 2015). Компания MV&F предлагает гибкие и жесткие криогенные трубопроводы с экранновакуумной изоляцией собственной разработки и производства. Разъемные байонетные соединения, различные фитинги и комбинация гибких и жестких участков позволяют спроектировать и изготовить трубопроводную систему любой сложности и протяженности.

Немного особняком стоит область криохирургии. Операции на поверхностных тканях проводят с использованием жидкого азота. Они не требуют специальной техники и высокой квалификации врача. Распространены также косметические процедуры с применением жидкого азота. В таких случаях используют небольшие криогенные сосуды на десятки литров и гибкие металлорукава.

Принципиально отличаются криохирургические операции на внутренних тканях. Основной принцип метода криоабляции – разрушение тканей под действием низких температур. Наибольшее распространение криохирургия получила в онкологии, применяется также в кардиохирургии. Криохирургические операции при раке предстательной железы сейчас предлагает множество клиник по всему миру.

Гелиевый моноблок
с рабочим давлением 400 бар
Гелиевый моноблок с рабочим давлением 400 бар

С технической точки зрения данная методика интересна тем, что не требует наличия криоагентов, таких как жидкий азот. Для проведения операции используются сжатые газы комнатной температуры. Криогенные температуры достигаются за счет эффекта Джоуля-Томсона – изменения температуры газа при адиабатическом дросселировании. При перетекании газа из области высокого давления в область низкого давления происходит изменение внутренней энергии газа и его температуры. Если при снижении давления температура падает, то эффект называют положительным, а если возрастает – отрицательным. Для каждого газа существует так называемая кривая инверсии – совокупность точек p-T, в которых эффект Джоуля-Томсона равен нулю. Выше кривой эффект отрицательный (то есть происходит нагрев газа), ниже кривой – положительный. Для большинства газов область обычных условий располагается ниже кривой, и при дросселировании газ охлаждается. Отличаются только легкие газы – водород и гелий – они при обычных условия при дросселировании нагреваются.

В медицинской практике существует термин «аргонгелий нож», описывающий данный метод. Название отражает суть метода – поочередное воздействие аргоном и гелием на удаляемые ткани через один или несколько тонких криозондов. Сначала требуемый участок быстро замораживается охлажденным аргоном, затем он также быстро отогревается нагретым гелием. Аргон в данном случае выбран не случайно – это одноатомный газ с низкой теплоемкостью, поэтому при дросселировании он охлаждается намного сильнее других газов, например, таких как азот. Температура подаваемого аргона достигает -140°С, в то время как охлаждение азота при равных условиях более чем в три раза меньше. Гелий в данном методе выбран благодаря своему отрицательному эффекту Джоуля-Томсона, вызванному малыми силами внутреннего притяжения молекул. Проводя контролируемые по температуре и по времени воздействия циклы замораживанияоттаивания, добиваются максимальной эффективности операции. Разный знак эффекта для аргона и гелия позволяет использовать одну и ту же аппаратуру как для охлаждения, так и для нагрева, что упрощает установку и делает ее более компактной.

Бустерный компрессорный
    агрегат с пневмоприводом
Бустерный компрессорный агрегат с пневмоприводом

На эффективность данного метода наибольшее влияние оказывает начальное давление газа в баллоне – чем оно выше, тем сильнее эффект Джоуля-Томсона, тем сильнее охлаждается газ. Компания MV&F предлагает оборудование для аргона и гелия высокого давления – газовые баллоны и моноблоки из газовых баллонов с рабочим давлением до 400 бар, разрядные рампы, газовые щиты, бесшовные нержавеющие трубы и рукава высокого давления.

Отдельно стоит остановиться на вопросе заправки баллонов таким высоким давлением как 300 или 400 бар. Компания MV&F изготавливает криогенные наполнительные станции для заправки баллонов аргоном, имеющие в своем составе криогенный поршневой насос, атмосферный испаритель высокого давления, наполнительную рампу для баллонов. Рабочее давление может достигать 420 бар. При необходимости в состав установки могут быть включены криогенная емкость для сжиженного аргона и электрический нагреватель газа для бесперебойной работы в суровых климатический условиях.

Еще одним способом достижения давления 400 бар и более является применение газовых бустерных компрессорных агрегатов с пневмоприводом. Эти компактные системы требуют для работы только подачу сжатого воздуха и не требуют электричества. При наличии доступных газовых баллонов с рабочим давлением 150 или 200 бар с помощью бустерного компрессорного агрегата легко заправить баллоны высокого давления любым требуемым газом, в том числе аргоном или гелием.

Если Вы создаете криобанк биоматериалов и Вам нужно построить разветвленную сеть подачи жидкого азота, если Вам нужны аргон и гелий высокого давления для целей криохирургии или любая иная помощь в поставке или изготовлении специального оборудования, Вы можете обратиться к специалистам компании Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F) за помощью и консультацией. Мы всегда предлагаем надежные и оптимальные технические решения, как научным и медицинским учреждениям, так и проектным и монтажным организациям.


Шумилин Никита, начальник сектора конструирования вакуумного оборудования ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F)