Ziel der Entwicklung
Das Ziel der Entwicklung war die Verbesserung und Ausweitung von Prüfmethoden zur Bewertung der Dichtheit und Lagerbeständigkeit von Packmitteln für das Biobanking. Eine große Anzahl biologischer Proben wie zum Beispiel Blut, Urin oder anderes körpereigenes Biomaterial werden jährlich zu Forschungszwecken, zum Beispiel für die NaKo-Gesundheitsstudie, oder zur späteren Verwendung am Patienten, zum Beispiel die Einlagerung von Nabelschnurblut für die spätere Stammzelltherapie mit patienteneigenen Zellen, eingelagert. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, dass die eingelagerte Probe sich im Laufe der Lagerdauer nicht verändert und dass keine Kontamination oder sogar der Verlust der Probe eintritt. Dazu ist eine Bewertung der Dichtheit und der Beständigkeit der verwendeten Packmittel unumgänglich. Im Projekt sollten die bereits entwickelten Methoden zur Dichtheitsprüfung optimiert und um eine Methode zur Prüfung der Dichtheit in der Gasphase über flüssigem Stickstoff ergänzt werden. Zusätzlich sollten mechanische und thermische Parameter der Packmittel, wie zum Beispiel Zugfestigkeit oder Glasübergänge, in Abhängigkeit der thermischen Vorgeschichte ermittelt werden. Alle genannten Prüfmethoden sind aus den Umgebungsbedingungen abgeleitet, denen die Packmittel ausgesetzt sind oder sein könnten. Durch die Dichtheitsprüfungen sollte eine Möglichkeit geschaffen werden, die Packmittel untereinander zu vergleichen und ihre Eignung für den anvisierten Einsatzzweck zu ermitteln. Des Weiteren sollte eine Möglichkeit realisiert werden, den Einfluss der Langzeitlagerung auf die Stabilität und damit letztlich auf die Dichtheit der Packmittel zu ermitteln. Durch eine beschleunigte thermische Alterung, welche durch eine thermische Wechselbelastung der Packmittel in einer Zyklierkammer realisiert wurde, sollten die mechanischen und thermischen Belastungen simuliert werden, um die in der Praxis nicht durchführbare Echtzeitlagerungen zu umgehen. Durch die Auswertung von unter realen Bedingungen gelagerten Packmitteln und thermisch gealterten Packmitteln sollte ein möglicher Zusammenhang gefunden und beschrieben werden, um eine durch die thermische Alterung auftretende Abnahme der mechanischen und thermischen Stabilität mit der entsprechenden Abnahme durch die Lagerdauer unter realen Bedingungen zu korrelieren.
Vorteile und Lösungen
Um eine Bewertung der Langzeitlagerstabilität von Packmitteln wie Röhrchen und Straws für das Biobanking zu realisieren, mussten zum einen Testmethoden zur Bewertung der Dichtheit etabliert beziehungsweise optimiert werden. Der zweite wichtige Ansatz war die Ermittlung von geeigneten mechanischen und thermischen Kenngrößen der Packmittel, um eine mögliche Veränderung dieser Parameter durch die Lagerbedingungen nachweisen zu können. Der dritte Punkt war der Vergleich von durch Lagerung unter realen Bedingungen gealterten und thermisch wechselbelasteten zyklierten Packmitteln. Die thermische Alterung wurde dabei durch mehrfaches Abkühlen und Aufheizen mit definierten Heiz- und Kühlraten realisiert. Die verwendeten Prüfmethoden beinhalten die Prüfung auf Dichtheit bei Bedingungen während des Flugtransports, das heißt, die Prüflinge werden einem verminderten Umgebungsdruck mit einer Druckdifferenz von 99 Kilopascal und einem Temperaturbereich von -40 Grad Celsius bis +55 Grad Celsius mit einer Heizrate von 1 Kelvin pro Minute ausgesetzt. Ausgewertet wird der Masseverlust der Prüflösung in den nach Herstellerangaben verschlossenen Prüflingen vor und nach dem Temperatur-Druck-Programm. Die zweite Prüfung ist die Dichtheit gegen das Eindringen von CO2 während des gefrorenen Transports der Proben auf Trockeneis. Dabei wird das Röhrchen mit Prüfpuffer befüllt, nach 24 Stunden auf Trockeneis aufgetaut und der pH-Wert der Pufferlösung bestimmt, welcher mittels einer Kalibration in den Gehalt an CO2 umgerechnet werden kann. Die dritte Prüfung testet die Dichtheit gegen das Eindringen von flüssigem Stickstoff bei direktem Kontakt mit dem Packmittel. Ausgewertet wird dabei eine visuell wahrnehmbare Vermischung zweier vor der Inkubation in die Prüflinge gefüllten Farbstoffschichten sowie der Residualdruck beim Öffnen der Röhrchen. Eine letzte Prüfung sollte die Dichtheit gegen das Eindringen von Nanopartikeln während der Lagerung in der Gasphase über flüssigem Stickstoff prüfen. Dabei konnten aber für keine geprüften Packmittel Nanopartikel in den Prüflingen nachgewiesen werden. Das heißt, entweder sind alle Prüflinge dicht gegen Nanopartikel oder die Konzentration an eingedrungenen Partikeln lag unter der Nachweisgrenze der verwendeten Auswertmethode. Als mechanische Kenngröße wurde die Zugfestigkeit gewählt, welche mittels Zugprüfung an frischen gelagerten und thermisch gealterten Packmitteln durchgeführt wird. Die thermischen Parameter, im Speziellen die Glasübergangstemperatur und die damit einhergehende Änderung der Wärmekapazität, wurden mittels DSC-Untersuchungen (Differential Scanning Calorimetry) durchgeführt. Dabei wurde mit Heiz- und Abkühlraten von jeweils 10 Kelvin pro Minute im Temperaturbereich von -180 Grad Celsius bis 220 Grad Celsius geprüft. Die thermische Alterung wurde mittels einer großen Anzahl von Temperaturzyklen realisiert. In der entwickelten Prüfkammer können die Prüflinge, mit Ausnahme des Befüllprozesses für den Flüssigstickstoffvorratstank, vollautomatisch in einem Temperaturbereich von -190 Grad Celsius bis +120 Grad Celsius mit Heizraten von bis zu 10 Kelvin pro Minute und Kühlraten von bis zu 50 Kelvin pro Minute nahezu beliebig oft abgekühlt und aufgeheizt werden. Die Messdaten bezüglich thermischer und mechanischer Kenngrößen sowie die Resultate der oben genannten Dichtheitsprüfungen können für frische, gelagerte und thermisch zyklierte Packmittel verglichen werden. Auf diese Weise können zum einen Schwachstellen der Packmittel in Bezug auf Dichtigkeit in verschiedenen Temperaturbereichen und somit die generelle Eignung als Packmittel für die Lagerung von biologischem Material in Bio- und Kryobanken als auch die Veränderung der Stabilität und Dichtheit der Packmittel durch die Lagerbedingungen bei der Langzeitlagerung ermittelt werden. Die zu Projektbeginn erhoffte Korrelation zwischen der Veränderung der Eigenschaften durch reale Lagerbedingungen und künstliche thermische Alterung in der Zyklierkammer konnte bisher allerdings noch nicht gefunden werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Prüfungen zur Dichtheit und zur Lagerbeständigkeit von Packmitteln für die kryogene Lagerung von Röhrchen und Straws dienen der Bewertung der Dichtheit und Materialbeständigkeit unter realen Transport- oder Lagerbedingungen. Damit kann zum einen der Hersteller nachweisen, dass seine Produkte für den geplanten Einsatzzweck geeignet sind und die Packmittel die Lagerung beziehungsweise den Transport ohne Beeinträchtigung des Biomaterials überstehen. Zum anderen können die Anwender der Bio- und Kryobanken durch valide und unabhängige Testergebnisse das jeweils beste auf dem Markt erhältliche Produkt auswählen. Die Zyklierkammer kann nahezu vollautomatisch alle Arten von Proben und Bauteilen mit einer maximalen Dimension von bis zu 700 Millimeter x 700 Millimeter x 300 Millimeter im Temperaturbereich von -190 Grad Celsius bis +120 Grad Celsius thermisch wechselbelasten und auf diese Weise eine beschleunigte Alterung beziehungsweise das Verhalten in der anvisierten Einsatzumgebung simulieren. Dadurch können Materialdefekte oder Alterungserscheinungen aufgedeckt werden bevor die Bauteile ihrem jeweiligen Einsatzzweck zukommen. Durch den großen Temperaturbereich eignet sich diese Technologie für alle Bauteile oder Komponenten, die in kryogener Umgebung eingesetzt werden.
