生物組織冷凍過程傳熱現(xiàn)象研究.pdf

1、低溫保存是生物材料進(jìn)行長時(shí)間保存最有效的方法，生物材料在用合適濃度的低溫保護(hù)劑處理之后，放入液氮中降溫并進(jìn)行儲(chǔ)存，可以保存幾十年甚至更長。低溫保存根據(jù)保存機(jī)理分為慢速冷凍和玻璃化冷凍，玻璃化冷凍由于冷凍過程中無冰晶，體積基本無膨脹，能完整保存細(xì)胞組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)，是目前低溫保存最具潛力的方法之一。生物材料的低溫保存的成功與否一是取決于保護(hù)劑的種類、濃度，另一方面取決于降復(fù)溫速率。選用合適濃度種類的低溫保護(hù)劑，能降低低溫保護(hù)劑毒性，和冰晶成

2、核率，另一方面最優(yōu)的降溫速率，能提高細(xì)胞組織度過危險(xiǎn)溫區(qū)的概率。然而目前的研究大多數(shù)關(guān)注在保護(hù)劑的種類以及濃度的選擇上，而對(duì)冷凍過程的研究的報(bào)道較少，并且對(duì)冷凍過程一般是通過數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行研究，所用的熱物性參數(shù)一般是采用加權(quán)計(jì)算獲得。為了提高生物材料在液氮中低溫保存存活率，就需對(duì)在液氮中的冷凍過程進(jìn)行準(zhǔn)確建模，對(duì)冷凍過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為實(shí)現(xiàn)冷凍過程的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。然而器官組織以及保護(hù)劑溶液的熱物性數(shù)據(jù)是比較匱乏的，這就使得數(shù)值計(jì)算的結(jié)

3、果與實(shí)際情況可能存在一定的差距。
　　本文從實(shí)驗(yàn)獲得的熱物性參數(shù)出發(fā)，結(jié)合理論建模預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)生物組織在液氮中的冷凍過程進(jìn)行研究。具體的研究?jī)?nèi)容和研究成果如下:
　　首先，對(duì)新鮮豬肝在等滲溶液中的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并通過兩種數(shù)據(jù)處理方法驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)處理的正確性，并比較得出兩種數(shù)據(jù)處理方法的適用范圍，隨后測(cè)量了常見的器官組織低溫保護(hù)劑溶液的導(dǎo)熱系數(shù)，以及用VS55低溫保護(hù)劑溶液處理過的豬肝的導(dǎo)熱系數(shù)，填補(bǔ)了這方面數(shù)據(jù)的空白。

4、
　　其次，對(duì)常見的凍存容器的外表面對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行了研究，基于生物傳熱模型，建立起了盛有保護(hù)劑溶液的凍存管和麥管在液氮中的降溫模型。接近室溫的物體置于液氮通常會(huì)經(jīng)過膜狀沸騰階段，過渡階段，內(nèi)核沸騰階段，對(duì)流階段，四個(gè)階段特性不同會(huì)導(dǎo)致不同階段凍存容器的表面對(duì)流系數(shù)的不同，但是大多數(shù)研究生物材料在液氮中的冷凍過程的報(bào)道通常只采用一個(gè)對(duì)流換熱系數(shù)，這樣數(shù)值計(jì)算的結(jié)果會(huì)和實(shí)際情況存在一定的差距，因此本文分別用一個(gè)對(duì)流換熱系數(shù)和膜狀沸騰

5、階段緊接著內(nèi)核沸騰階段兩個(gè)對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)降溫過程進(jìn)行計(jì)算，并以殘差和為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過反問題方法結(jié)合實(shí)驗(yàn)降溫曲線，得出單段過程的對(duì)流換熱系數(shù)hs，和膜狀沸騰的對(duì)流換熱系數(shù)hf，hn，發(fā)現(xiàn)后者比前者更加的貼近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　最后，在前面兩章獲得的關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)上，本文以VS55溶液和1.8 mL凍存管對(duì)生物材料在液氮中的冷凍過程做進(jìn)一步研究。首先對(duì)載有VS55的凍存管在液氮中的冷凍過程通過理論建模進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的降溫曲線進(jìn)行比

6、較，理論預(yù)測(cè)結(jié)果能較好的吻合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)凍存管軸向和徑向上不同位置的降溫過程，以及不同時(shí)刻凍存管內(nèi)的溫度場(chǎng)和溫度梯度進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，凍存管除底部半球區(qū)域外的部分（直壁部分），溫度場(chǎng)分布是比較均勻的，據(jù)此將凍存管分為直壁部分和半球部分，并建議生物組織器官置于直壁部分可能降溫過程會(huì)更均勻，減少應(yīng)力損傷。接著本文對(duì)用VS55浸泡的豬肝在液氮中的冷凍過程進(jìn)行理論建模，理論降溫曲線和實(shí)驗(yàn)曲線也能較好的吻合，說明用實(shí)驗(yàn)獲得熱物性參數(shù)以及生物傳熱模型