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Aktive Kontrolle der Nukleation

Electrofreezing

 

M.Sc. L. Lauterböck

 

 

Electrofreezing ist ein Verfahren, durch das die Kristallisation von Wasser und anderen Flüssigkeiten beim Gefrierprozess gezielt durch das Anlegen eines elektrischen Feldes ausgelöst werden kann. 

 

Die natürlich einsetzende Kristallisation in einer auf den Gefrierpunkt abgekühlten Lösung wird durch heterogene Nukleation ausgelöst. Hat sich ein Anfangskeim (Nukleus) in einer Lösung gebildet, kann sich die Kristallisation auf die gesamte Lösung ausweiten. Diese anfängliche Nukleation ist von vielen Faktoren (der Zusammensetzung der Lösung, der Oberfläche des Einfriergefäßes und dem Probenvolumen etc.) abhängig. Ein bei Einfriervorgängen immer wieder zu beobachtendes Phänomen ist, dass die Nukleationstemperatur einer Lösung bei gleichen Einfrierbedingungen in einem weiten Bereich streut und somit zu einem schwierig zu definierenden Einfrierparameter wird. Für eine Vielzahl von Anwendungen wäre es jedoch wünschenswert, dass diese Nukleation kontrolliert und voraussehbar eintritt. Eine Möglichkeit, die Nukleation einer Lösung zu beeinflussen, bzw. auszulösen, ist die Methode des Electrofreezings. Obwohl die Vorgänge hierbei noch nicht vollständig geklärt sind, kann diese Methode für die kontrollierte Nukleation und homogene Eisbildung genutzt werden. Hierzu wird zwischen zwei Metallelektroden ein hohes elektrisches Feld aufgebaut, das in reinem Wasser die Bildung eines kleinen Eisnukleus induziert, durch den die Kristallisation der Lösung beginnen kann.

 

Eine besondere Herausforderung ist es nun, diese Technik auf die Kryokonservierung von biologischem Material (Zellen) auszuweiten. Hierzu wird mittels eines besonderen Versuchaufbaus, bei dem durch definiertes Anlegen einer Hochspannung die Nukleationstemperatur kontrolliert werden kann, eine extrazelluläre Eiskristallbildung induziert. Diese Eisbildung verursacht eine Erhöhung der Konzentration an gelöstem Stoff im zellumgebenden Medium. Die Antwort auf diese Aufkonzentrierung ist ein Wasserausstrom aus der Zelle, folgend dem osmotischen Gradienten. Dieses führt zu einer Dehydrierung der Zelle. Experimente haben ergeben, dass sich durch diese dielektrische Polarisation (Electrofreezing) der Grad der Unterkühlung in wässrigen (biologischen) Proben deutlich reduzieren lässt, sodass die Eiskeimbildung bereits in der Nähe der Gleichgewichtsfriertemperatur ausgelöst werden kann. Hierdurch kann die ungewollte und für Zellen schädliche Änderung der Kühlrate bei dem während des Einfrierprozesses auftretenden Phasenübergangs (flüssig/fest) reduziert werden. Die ebenfalls beobachtete Homogenisierung der Eiskristallstruktur ist für die Gefriertrocknung besonders interessant, da sie eine Reduzierung der Trocknungsdauer und der Kollapswahrscheinlichkeit der Probe erwarten lässt. [Petersen A et al.: Cryobiology (2006); 53(2):248-57; Petersen A et al.: Heat Mass Transfer (2006); 42; 929-38]