The Effect of Ultrasound in the 0.88–8.00 MHz Range on the Cracking Processes of Frozen Cryoprotective Solutions when Cooled to –196oC

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

During cryopreservation of biological material, the stage of formation of a solid phase (ice) during cooling of living cells and a cryoprotective mixture is of great importance. The formation of ice, along with other factors, significantly affects the survival of cells during the freezing–thawing process. Most researchers limit their studies to a temperature range of 0 to –80oC. This range is considered the most critical due to damage to biological material caused by intracellular and extracellular ice crystal formation. However, the processes that occur during further cooling of the frozen material to storage temperatures (–196oC) are poorly understood. When cooled below –100oC, thermomechanical stress in the frozen medium increases due to its compression, thus causing cracking. Exposure to ultrasound at the initial stage of freezing eliminated supercooling in all studied solutions and significantly altered the temperature curve. This study demonstrates the effect of ultrasonal in the 0.88–8.00 MHz frequency range on the cracking of frozen cryoprotective solutions and the formation of ice microparticles. Freezing was performed in a thin 0.2 mm layer at cooling to –196oC. The shape and size of the ice microparticles were determined by cryomicroscopy. With increasing frequency, the degree of homogeneity (size and area) of the microparticles and the shape factor (degree of roundness) increased. It has been shown that ultrasound can effectively influence the formation of cracks in frozen cryo- protective media, especially in the high-frequency range. The greatest effect of increasing the degree of roundness of microparticles was observed in a medium containing saline solution, 10% dimethyl sulfoxide, and 10% egg yolk.

About the authors

A. A Andreev

Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences

Email: alandreev@mail.ru
Pushchino, Russia

D. G Sadikova

Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences

Pushchino, Russia

T. N Pashovkin

Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences

Pushchino, Russia

References

  1. Zhmakin A. I. Fundamentals of Cryobiology: Physical Phenomena and Mathematical Models (Springer, 2008).
  2. Akyurt M., Zaki G., and Habeebullah B. Freezing phenomena in ice-water systems. Energy Conv. Management, 43, 1773–1789 (2002). doi: 10.1016/S0196-8904(01)00129-7
  3. Кошкин Н. И. и Шиpкевич М. Г. Cпpавочник по элементаpной физике (Наука, М., 1982).
  4. Rabin Y., Steif P. S., Hess K., Jimenez-Rios J. L., and Palastro M. C. Fracture formation in vitrified thin films of cryoprotectants. Cryobiology. 53 (1), 75–95 (2006). doi: 10.1016/j.cryobiol.2006.03.013
  5. Актуальные проблемы криобиологии. Под ред. Н. С. Пушкаря и А. М. Белоуса (Наук. Думка, Киев, 1981).
  6. Baudot A. and Odagescu V. Thermal properties of ethylene glycol aqueous solutions Cryobiology, 48 (3), 283–294 (2004). doi: 10.1016/j.cryobiol.2004.02.003
  7. Diller K. R. Bioheat and mass transfer as viewed through a microscope. J. Biomech. Eng., 127, 67–84 (2005). doi: 10.1115/1.1835354
  8. Hey J. M., Mehl P. M., and MacFarlane D. R. A combined differential scanning calorimeter-optical video microscope for crystallization studies. J. Therm. Anal., 49, 991–998 (1997). doi: 10.1007/BF01996785
  9. Hey J. M. and MacFarlane D. R. Crystallization of ice in aqueous solutions of glycerol and dimethyl sulfoxide. 2: Ice crystal growth kinetics. Cryobiology, 37 (2), 119–130 (1998). doi: 10.1006/cryo.1998.2108
  10. Ishiguro H. and Rubinsky B. Mechanical interactions between ice crystals and red blood cells during directional solidification. Cryobiology, 31 (5), 483–500 (1994). doi: 10.1006/cryo.1994.1059
  11. Ishiguro H., Kataori A., and Nozawa M. Three-dimensional microscopic behavior of ice crystals and cells during directional solidification. Cryobiology, 59 (3), 410-421 (2009). doi: 10.1016/j.cryobiol.2009.10.157
  12. Li J., Zhang L. L., Liu Q. H., Xu X. Z., Xiao Z. Z, MaD. Y., Xu S. H., and Xue Q. Z. Extra and intracellulares ice formation of red seabream (Pagrus major) embrios at different cooling rates. Cryobiology, 59 (1), 48–53 (2009). doi: 10.1016/j.cryobiol.2009.04.004
  13. Mazur P., Pinn I. L., and Kleinhans F. W. Intracellular ice formation in mouse oocytes subjected to interrupted rapid cooling. Cryobiology, 55 (2), 158–166 (2007). doi: 10.1016/j.cryobiol.2007.06.007
  14. Mehl P. M. Principles of cryopreservation by vitrification. Cryobiology, 30 (5), 509–518 (1993). doi: 10.1006/cryo.1993.1051
  15. Rubinsky B. and Ikeda M. A cryomicroscope using directional solidification for controlled freezing of biological material. Cryobiology, 22 (1), 55–68 (1985). doi: 10.1016/0011-2240(85)90008-2
  16. Stott S. L. and Karlsson J. O. Visualization of intracellular ice formation using high-speed video cryomicroscopy. Cryobiology, 58 (1), 84–95 (2009). doi: 10.1016/j.cryobiol.2008.11.003
  17. Mazur P. Kinetics of water loss from cells at subzero temperatures and the likehood of intracellular freezing. J. Gen. Physiol., 47 (2), 347–369 (1963). doi: 10.1085/jgp.47.2.347
  18. Hey J. M., Mehl P. M., and MacFarlane D. R. A combined differential scanning calorimeter-optical video microscope for crystallization studies. J. Therm. Anal., 49, 991–998 (1997). doi: 10.1007/BF01996785
  19. Rabin Y. and Steif P. S. Solid mechanics aspects of cryobiology. In: Advances in Biopreservation, Ed. by J. G. Baust and J. M. Baust (CRC Press, 2006), pp. 359–381.
  20. Rabin Y., Steif P. S., Hess K. C., Jimenez-Rios J. L., and Palastro M. C. Fracture formation in vitrified thin films of cryoprotectants. Cryobiology, 53 (1), 75–95 (2006). doi: 10.1016/j.cryobiol.2006.03.013
  21. Rabin Y. and Steif P. S. Solid mechanics aspects of cryobiology. Advances in Biopreservation. Ed. by J. G Baust and J. M. Baust (Taylor & Francis Group, 2007), pp. 359–379.
  22. Chalmers B. Principles of Solidification (John Wiley & Sons Inc., N. Y., 1964).
  23. Chow R., Blindt R., Chivers R., and Povey M. The sonocrystallisation of ice in sucrose solutions: primary and secondary nucleation. Ultrasonics, 41 (8), 595–604 (2003). doi: 10.1016/j.ultras.2003.08.001
  24. Chow R., Blindt R., Chivers R., and Povey M. A study on the primary and secondary nucleation of ice by power ultrasound. Ultrasonics, 43 (4), 227–230 (2005). doi: 10.1016/j.ultras.2004.06.006
  25. Hottot A., Nakagawa K., and Andrieu J. Effect of ultrasoundcontrolled nucleation on structural and morphological properties of freeze-dried mannitol solutions. Chem. Eng. Res. Des., 86 (2), 193–200 (2008). doi: 10.1016/j.cherd.2007.11.009
  26. Андреев А. А., Садикова Д. Г., Пономарева Е. Н., Красильникова А. А. и Белова М. М. Способ снижения низкотемпературного скачка растворов криопротекторов. Патент РФ № 2540598 от 22.12.2014.
  27. Acton E. and Morris G. J. W.O. 99/20420, USA Patent Application (1992).
  28. Saclier M., Peczalski R., and Andrieu J. Effect of ultrasonically induced nucleation on ice crystals’ size and shape during freezing in vials. Chem. Eng. Sci., 65 (10), 3064–3071 (2010). doi: 10.1016/j.ces.2010.01.035
  29. Садикова Д. Г. и Андреев А. А. Ультразвук терапевтического диапазона влияет на формирование микрочастиц льда. Биофизика, 66 (2), 213–218 (2021). doi: 10.31857/S0006302921020010
  30. Burzawa-Gerard E., Goncharov B. F., Dumas A., and Fontaine Y. A. Further biochemical studies on carp gonadotropin. Gen. Comp. Endocrinol., 29 (4), 498-505 (1976). doi: 10.1016/0016-6480(76)90033-2
  31. Schmidt E. Die Brunn-Minkowskische Ungleichung und Ihr Spiegelbild sowie die isoperimetrishe Eigenschaft der Kugel in der euklidischen und nichteuklidischen Geometrie. Math. Nachr., 1, 81–157 (1948).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».