Homogenisation of the ice crystal structure in aqueous macroscopic model solutions due to ice nucleation by means of dielectric polarisation

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Das Projekt hat die Erforschung der Möglichkeiten zum Ziel, die sich durch eine dielektrisch induzierte Eiskeimbildung im Bereich der Kryobiologie und der Gefriertrocknung bieten. Basierend auf dem Stand der Forschung über die Eiskeimbildung haben eigene Voruntersuchungen ergeben, dass sich durch dielektrische Polarisation (Electrofreezing, EF) der Grad der Unterkühlung in wässrigen (biologischen) Proben deutlich reduzieren lässt und die Eiskeimbildung bereits in der Nähe des Gleichgewichtsgefrierpunkts ausgelöst werden kann. Die Arbeitshypothese dieses Projektantrags ist, dass durch die induzierte Eiskeimbildung deutliche Verfahrensoptimierungen sowohl für Gefriertrocknungsverfahren (1) als auch für Kryokonservierungsverfahren und (2) für biologische Systeme möglich werden. Zu (1): Der globulitisch erstarrende unterkühlte Probenbereich kann reduziert werden, so dass eine sehr viel homogenere Eiskristallmorphologie erzeugt werden kann, die wiederum zu einer schnelleren Vakuumtrocknung führt und einen Kollaps verhindern kann. Zu (2): Der Grad der Unterkühlung biologischer Proben bei der Kryokonservierung ist ohne EF kaum zu beeinflussen, so dass Bereiche der Probe äußerst schnell aus der unterkühlten Phase erstarren und andere Bereiche deutlich langsamer. Die Kühlrate beeinflusst jedoch maßgeblich die Zellüberlebensrate und sollte daher einheitlich sein, um den maximalen Konservierungserfolg zu erzielen. Um die potentiellen Vorteile des Electrofreezing untersuchen zu können, sollen zunächst mikroskopische Studien durchgeführt werden, um in Abhängigkeit des eingekoppelten elektrischen Impulses Aussagen über die Reduktion der Unterkühlung für verschiedene wässrige Modellösungen und Zellsuspensionen zu treffen. Da biologische Proben durch die in den Vorversuchen verwendeten hohen elektrischen Potentialdifferenzen geschädigt werden könnten, sollen mit Hilfsmitteln der modernen Fotolithographie sehr geringe Elektrodenabstände erzeugt werden, so dass lokal große elektrische Feldstärken bereits bei geringen Spannungen erzeugt werden können. Diese experimentellen Untersuchungen in mikroskopischen Systemen sollen ausgedehnt werden auf praxisrelevante makroskopische Proben, in denen sich ebenfalls mittels moderner Halbleitertechnologien hergestellte Elektrodenstrukturen im Nanometerbereich befinden. In diesen Systemen sollen die erwarteten Verfahrensvorteile für Gefriertrocknung und Kryokonservierung evaluiert werden anhand der potentiellen Veränderungen bei der Gefriertrocknungskinetik und bei den Zellüberlebensraten. Von dem Projekt wird zudem erwartet, dass sich durch die Vermeidbarkeit der Unterkühlung neue Untersuchungsmethodiken für biophysikalische Zellschädigungsmodelle beim Einfrieren ergeben werden.Professor Dr. Rau bearbeitet das Projekt zusammen mit Frau Dr. Birgit Glasmacher, Leiterin der Abteilung Kryobiologie & Biomaterialien, (gleiche Institutsanschrift)Tel. 0241-8088611Fax 0241-8082442e-Mail: glasmacher@hia.rwth-aachen.dewww.biomed-technologien.rwth-aachen.de