Ideal Freezing Curve Can Avoid the Damage by Latent Heat of Fusion During Freezing

Background:Liquid nitrogen freezing techniques have already met with widespread success in biology and medicine as a means of long-term storage for cells and tissues. The use of cryoprotectants such as glycerol and dimethylsulphoxide to prevent ice crystal formation, with carefully controlled rates of freezing and thawing, allows both structure and viability to be retained almost indefinitely. Cryopreservation of various tissues has various con-trolled rates of freezing. Material and Method: To find the optimal freezing curve and the chamber temperature, we approached the thermodynamic calculation of tissues in two ways. One is the direct calculation method. We should know the thermophysical characteristics of all components, latent heat of fusion, area, density and volume, etc. This kind of calculation is so sophisticated and some variables may not be determined. The other is the indirect calculation method. We performed the tissue freezing with already used freezing curve and we observed the actual freezing curve of that tissue. And we modified the freezing curve with several steps of calculation, polynomial regression analysis, time constant calculation, thermal response calculation and inverse calculation of chamber temperature. Result: We applied that freezing program on mesenchymal stem cell, chondrocyte, and osteoblast. The tissue temperature decreased according to the ideal freezing curve without temperature rising. We did not find any differences in survival. The reason is postulated to be that freezing material is too small and contains cellular components. We expect the significant difference in cellular viability if the freezing curve is applied on a large scale of tissues. Conclusion: This program would be helpful in finding the chamber temperature for the ideal freezing curie easily.

냉동 시 잠재용융열에 의한 피해를 최소화할 수 있는 이상냉동 곡선

배경: 액체질소에 의한 냉동방법은 생물학과 의학에서 세포와 조직의 장기보존으로는 성공적인 방법이다. 잘 조절된 냉동속도와 해동의 방법과 함께 글라이세롤이나 디메칠설폭사이드 같은 냉동보존제의 사용으로 얼음결정이 생기는 것을 방지하여 구조의 유지와 생존율을 모두 향상시킬 수 있으며 반영구적으로 보존할 수 있다. 여러 조직의 초저온냉동에는 조직에 맞는 냉동속도가 있다. 대상 및 방법: 가장 적합한 냉동곡선과 이를 위한 냉동챔버온도를 찾기 위해서 우리들은 조직의 열역학적 계산을 두 가지 방법으로 하였다. 하나는 직접계산방법으로 모든 냉동 대상물의 열물리학적 특성, 잠재용융열, 면적, 농도와 체적을 알아야 계산할 수 있다. 이러한 방법은 매우 복잡하고 어떠한 경우에는 실제 값을 알 수 없다. 다른 방법은 간접계산방법으로 우선 기존의 냉동곡선으로 조직을 냉동시켜 조직의 실제 냉동곡선을 얻은 다음 시간상수로 냉동곡선을 분석한 다음 온도반응을 계산하고 적합한 x차방정식을 대입시켜 냉동 시 온도상승을 막고 이것을 거꾸로 냉동챔버온도를 산출하는 방식이다. 결과: 이 냉동 프로그램을 중배엽줄기세포, 연골세포와 골아세포에 적용시켜 검사하였다. 조직의 온도는 온도상승과정 없이 이상적인 냉동곡선을 따라 감소하였다. 그러나 세포의 양과 수용액의 양이 적어 냉동곡선간의 생존력이 통계학적으로 차이가 있지는 않았다. 만약 더욱 부피가 큰 조직을 냉동시키거나 프로그램을 순차적으로 계속한다면 이상곡선에 더욱 근접하게 되어 차이가 있을 것으로 판단된다. 결론： 이 프로그램은 이상적인 냉동곡선으로 조직을 냉동시키기 위한 냉동챔버온도를 쉽게 찾을 수 있도록 도움이 될 것이다.