Determinación de coeficientes de transferencia de calor de Cryotop abierto y cerrado bajo distintas condiciones de calentamiento

Abstract

Los dispositivos denominados Cryotop®, presentan a nivel internacional alta eficiencia en la vitrificación de material genético como son los ovocitos y embriones. Tienen un volumen muy pequeño y se diseñaron para lograr la vitrificación durante el enfriamiento con nitrógeno líquido, minimizando la formación de hielo intracelular que puede ser letal para las células. El Cryotop@ está conformado por una delgada cinta de polipropileno sobre la cual se deposita una microgota de 0.1-0.2 µL; las dimensiones tan pequeñas dificultan la medición de temperatura vs. Tiempo.El proceso de calentamiento de muestras vitrificadas en estos dispositivos se puede modelar matemáticamente mediante la resolución de la ecuación diferencial de conducción de calor en estado transiente. El coeficiente de transferencia de calor en la interfase (h) es un parámetro importante que interviene en la condición de contorno y está relacionado con las condiciones fluidodinámicas que existen en la interfase material biológico -fluido externo. Seki y Mazur (2011) demostraron que en el caso del Cryotop® el calentamiento representa una etapa crítica para lograr viabilidad celular evitando la formación de hielo. Si las velocidades de calentamiento son bajas puede existir una recristalización y/o devitrificación de la solución biológica que genera daño en el material genético. Utilizando una termocupla muy pequeña de 50µm estos autores han reportado datos experimentales de historias térmicas para varios protocolos de calentamiento Cryotop®, considerando como fluido externo: agua, aire, o una solución de sacarosa (todos a una temperatura de 23ºC). En literatura no existe información acerca de valores de h durante el calentamiento de muestras biológicas vitrificadas que se someten a distintos procesos de calentamiento. Además, estos valores no pueden calcularse a partir de correlaciones de números adimensionales como Nusselt vs. Reynolds ya que tienen geometría irregular y son heterogéneos (formados por plástico+microgota). En este trabajo se simuló numéricamente la transferencia de energía durante el calentamiento de Cryotop® sometido a distintas condiciones operativas. Se obtuvieron historias térmicas que fueron comparadas con los datos experimentales obtenidos por Seki and Mazur (2011), calculándose los h para cada sistema y protocolo. Se tuvieron en cuenta propiedades térmicas variables con la temperatura y un sistema con geometría irregular compuesto por diferentes materiales (soporte plástico y hielo/agua vítrea para solución biológica). Los protocolos analizados fueron a) Cryotop® abierto en contacto directo con aire y con solución sacarosa a 23ºC, b) Cryotop® cerrado en contacto con aire y con agua a 23ºC. Los valores de h para Cryotop® abierto sumergido en solución de sacarosa a 23ºC, para los cuales los ovocitos alcanzaron una viabilidad máxima de 80% correspondieron a un rango de h entre 1800-2200 W/m2C. Los h obtenidos en el presente trabajo son parámetros útiles para los criobiólogos cuando se busca profundizar en el conocimiento de performance de protocolos de calentamiento y maximizar la viabilidad de muestras vitrificadas en dispositivos de mínimo tamaño.