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低温保护剂冻结特性的可视化研究

低温保护剂冻结特性的可视化研究

作者：王硕天津商业大学

学位级别：硕士

低温生物医学本身就是热科学、生物学、医学、工程学之间的边缘学科和交叉学科。生物医学技术发展迅速,人体器官和活体细胞以及胚胎在低温环境下新陈代谢过程生化反应速率受到抑制,保存时间延长。但它们在降温和复温过程中,细胞遭到不... 详细信息

低温生物医学本身就是热科学、生物学、医学、工程学之间的边缘学科和交叉学科。生物医学技术发展迅速,人体器官和活体细胞以及胚胎在低温环境下新陈代谢过程生化反应速率受到抑制,保存时间延长。但它们在降温和复温过程中,细胞遭到不同程度损伤,如胞内外冰晶的溶液损伤、渗透压损伤、机械损伤等,本文着重研究低温保护剂(丙三醇)及常见糖类添加剂混合而成的多元溶液在冷冻复温过程中结晶和玻璃化,阐述溶液的热力学和动力学特性。主要研究内容如下:(1)借助冷冻干燥显微镜将丙三醇在不同添加剂浓度下溶液冷冻复温过程冰晶生长情况可视化。研究快速降温并快速升温条件下,记录不同添加剂条件下冰晶生长的整体相貌。统计两种添加剂浓度下三元溶液在不同降温速率下晶核数量情况,对比分析不同添加剂丙三醇溶液在冻结过程单个冰晶生长的形态变化;统计分析在不同降温速率和不同糖类添加剂浓度下丙三醇水溶液在冻结过程中冰晶生长速度。研究结果表明,溶液在冻结过程中,晶体成核与过冷度有关,过冷度越大,结晶所需驱动力越大,晶体生长速率受到影响因素众多,比如溶液的形状、润湿程度、热导率、比热容以及液滴外表面的冷却情况。(2)借助差示扫描量热仪记录不同降温速率和不同糖类添加剂浓度下丙三醇水溶液的热流曲线,研究溶液在不同降温速率和不同糖类添加剂浓度下冻结过程的热物性参数,比如成核温度、结合水含量以及溶液的比热容。主要采用热科学的理论、热技术的方法研究溶液冷冻复温过程的一些机理问题,研究溶液在冷冻复温过程中传热及冷却规律,寻求最佳冷却速率。结果表明添加蔗糖和海藻糖的丙三醇水溶液对水的束缚能力最强,对水分子的运动以及冰晶生成几率抑制效果最佳。(3)借助分子动力学软件对不同温度下添加不同添加剂的丙三醇水溶液的比体积变化情况是否发生突变,对溶液玻璃化转变温度进行预测,糖类添加剂的加入极大提高了丙三醇水溶液的玻璃化转变温度;通过对添加不同糖类添加剂的丙三醇水溶液体系模拟结果统计分析,得到了在不同温度下溶液中丙三醇中的氧原子与水分子中氧原子之间的径向分布函数及配位数,添加蔗糖的丙三醇水溶液配位数最大;计算添加不同糖类添加剂后丙三醇水溶液的扩散系数,扩散系数随着温度的升高单调递增;针对无定形结构溶液体系中的氧原子和氢原子进行标定,编写脚本计算溶液体系中稳定构象下不同温度下氢键个数和平均键长的变化情况,以便更好的评估溶液中分子间相互作用力,结果表明溶液在降温过程分子间氢键网络改变,使溶液内能发生改变,从而影响溶液的粘度和扩散。

关键词：低温保护剂成核热物性参数冷冻复温玻璃化转变氢键

低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的结晶度及其影响因素分析

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中国科学：技术科学 2017年第3期47卷 316-323页

作者：杨婷婷胥义罗嗣昌王婷刘道平上海理工大学生物系统热科学研究所上海200093 上海理工大学制冷技术研究所上海200093

借助非等温结晶动力学理论模型,较为系统地研究了低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的温度和结晶度分布.研究结果表明,微液滴在经历相变温区时,呈现出表面区域结晶度最高,中间次之,中心区域最低的变化规律;且浓度越高,温度和结晶度... 详细信息

借助非等温结晶动力学理论模型,较为系统地研究了低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的温度和结晶度分布.研究结果表明,微液滴在经历相变温区时,呈现出表面区域结晶度最高,中间次之,中心区域最低的变化规律;且浓度越高,温度和结晶度分布越不均匀,如50%甘油微滴表面区域与中心区域温差为8K,但前者的结晶度大约是后者的41倍,而对于微水滴,两个区域的温差为1.10K,结晶度则相差6倍;微液滴体积对低浓度溶液的最终结晶度没有影响,只是延长了其冻结相变持续时间,如2和8μL20%甘油的相变时间分别约为14.48和19.82s;而对于高浓度溶液,没有明显的冻结相变温区,但呈现出体积越大,结晶度越高的变化规律,如2和8μL50%甘油的结晶度分别约为0.29×10^(-6)和0.80×10^(-6);随着低温保护剂浓度的增大,其相变温度会明显降低(水为273K,20%甘油为250K,50%甘油为225K,Vs55为158K),其最终结晶度也会显著降低,如20%和50%甘油溶液的最终结晶度分别为1和5.61×10^(-7),而Vs55仅有5.70×10^(-16).

关键词：低温保护剂微液滴结晶度玻璃化

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低温保护剂渗透关节软骨研究进展

中国生物医学工程学报 2015年第4期34卷 481-486页

作者：虞效益张绍志范菊莉胡长兴浙江大学宁波理工学院浙江宁波315100 浙江大学制冷与低温研究所杭州310027 南京航空航天大学航空宇航学院南京210016

玻璃化保存关节软骨具有临床治疗和科学研究的双重意义。如何在保证对软骨细胞造成的损伤最小的前提下,将足够多的低温保护剂载入软骨组织,是玻璃化保存关节软骨的关键环节之一,而低温保护剂渗透关节软骨的特性是指导设计低温保护剂加... 详细信息

玻璃化保存关节软骨具有临床治疗和科学研究的双重意义。如何在保证对软骨细胞造成的损伤最小的前提下,将足够多的低温保护剂载入软骨组织,是玻璃化保存关节软骨的关键环节之一,而低温保护剂渗透关节软骨的特性是指导设计低温保护剂加载处理过程的重要依据。从实验研究和数学建模两方面,系统评述低温保护剂渗透关节软骨的研究进展,指出现有研究存在的不足,并对今后低温保护剂渗透关节软骨的研究方向提出展望。

关键词：关节软骨低温保护剂渗透扩散数学建模

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低温保护剂载入关节软骨过程的传质建模

中国生物医学工程学报 2018年第1期37卷 64-71页

作者：虞效益张绍志陈光明李威浙江大学宁波理工学院浙江宁波315100 浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027 浙江大学制冷与低温研究所杭州310027

掌握加载过程中软骨组织内部低温保护剂浓度的时空分布特性,这对合理设计加载程序进而成功保存关节软骨至关重要,为此构建描述低温保护剂载入关节软骨过程的扩散传质模型。根据二元扩散热力学模型,将有效扩散系数与无限稀释扩散系数进... 详细信息

掌握加载过程中软骨组织内部低温保护剂浓度的时空分布特性,这对合理设计加载程序进而成功保存关节软骨至关重要,为此构建描述低温保护剂载入关节软骨过程的扩散传质模型。根据二元扩散热力学模型,将有效扩散系数与无限稀释扩散系数进行关联,活度系数采用UNIFAC模型估算,扩散系数的浓度依赖性采用Vignes公式表示,无限稀释扩散系数采用Siddiqi-Lucas公式计算。对于二甲亚砜(Me2SO)、甘油(GLY)、乙二醇(EG)和丙二醇(PG)这4种典型的低温保护剂(CPA),由模型计算得到的软骨组织内CPA的平均浓度与文献报道的实验值之间的平均相对偏差(MRE)和决定系数(R2)分别为1.90%~36.29%和0.959~0.998(Me2SO),13.56%~19.19%和0.990~0.995(GLY),8.89%~22.09%和0.969~0.988(EG),5.35%~23.76%和0.971~0.992(PG)。结果表明,该模型能较好地适用于这4种CPA,可用于直接预测加载过程中软骨组织内部CPA浓度的时空分布,从而指导加载程序的设计与优化。

关键词：低温保护剂传质建模关节软骨通用似化学基因活度系数(UNIFAC) 低温保存

微液滴自然蒸发加载低温保护剂的细胞渗透特性与损伤评估

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制冷学报 2023年第6期44卷 156-166页

作者：刘林峰崔梦冬占太杰何伟胥义上海理工大学生物系统热科学研究所、上海市生物资源低温保存技术服务平台上海市肿瘤能量治疗技术与器械协同创新中心上海200093

本文提出了一种微液滴自然蒸发加载低温保护剂的方法,借助图像处理技术,结合细胞渗透模型与损伤模型进行理论分析,系统研究了初始体积和初始浓度对微液滴自然蒸发加载低温保护剂过程的细胞渗透特性与损伤的影响,并与传统低温保护剂加载... 详细信息

本文提出了一种微液滴自然蒸发加载低温保护剂的方法,借助图像处理技术,结合细胞渗透模型与损伤模型进行理论分析,系统研究了初始体积和初始浓度对微液滴自然蒸发加载低温保护剂过程的细胞渗透特性与损伤的影响,并与传统低温保护剂加载方法(一步加载、两步加载)进行对比。研究结果表明:微液滴的初始体积越小,蒸发速率越快,低温保护剂更易达到目标浓度,能够有效缩短加载时间(1μL相比5μL缩短4907 s);随着低温保护剂初始浓度的降低,加载时间逐渐增长(0.5 M和2.5 M分别为2460、1346 s),但造成的细胞体积变化极值显著减小(0.5 M和2.5 M分别为初始体积的14%和43%),累积毒性损伤也会显著降低(0.5 M和2.5 M分别为23.05、47.53);微液滴自然蒸发加载相比传统加载方法可显著提高细胞存活率与细胞增殖能力(P低温保护剂加载流程,并能有效降低细胞损伤。

关键词：低温保存低温保护剂液滴蒸发渗透损伤毒性损伤

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低温保护剂与其分子中羟基排列的关系

制冷学报 2015年第3期36卷 114-118页

作者：杨波刘宝林李娟上海理工大学医疗器械与食品学院上海200093

为了研究低温保护剂与其分子结构的关系,实验采用差示扫描量热仪(Pyris-Diamond DSC),测量了七种低温保护剂(Me2SO,葡萄糖,蔗糖,海藻糖,木糖醇,麦芽糖醇和山梨醇)的物理学特性参数(包括熔融温度、熔融峰面积和熔融热量等)及水合性质,通... 详细信息

为了研究低温保护剂与其分子结构的关系,实验采用差示扫描量热仪(Pyris-Diamond DSC),测量了七种低温保护剂(Me2SO,葡萄糖,蔗糖,海藻糖,木糖醇,麦芽糖醇和山梨醇)的物理学特性参数(包括熔融温度、熔融峰面积和熔融热量等)及水合性质,通过熔融温度和熔融热量计算低温保护剂中未冻水份额,研究发现未冻水份额与物质的分子结构及低温保护效果存在一定的关系,即低温保护剂的保护效果,与其分子结构中羟基的线性排列正相关,线性排列中羟基的数目越多,低温保护效果越好。结论:在实验的七种低温保护剂中,山梨醇的分子结构中拥有5个羟基为最多,因此添加山梨醇的溶液低温保护效果最好。

关键词：低温保护剂水合性质多元醇羟基

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蚕丝蛋白低温保护剂的保护机制分析

生物医学工程学杂志 2019年第6期36卷 986-993页

作者：周新丽杜羽琨滕芸张宵敏上海理工大学生物热科学研究所

目前二甲基亚砜联用胎牛血清是冻存细胞常用的保护剂,但是二甲基亚砜对细胞具有毒性损伤,胎牛血清存在携带病毒、感染疾病的风险。蚕丝蛋白是一种天然的高分子纤维蛋白,具有良好的生物相容性和亲水性。本文将蚕丝蛋白用于低温保护中,探... 详细信息

目前二甲基亚砜联用胎牛血清是冻存细胞常用的保护剂,但是二甲基亚砜对细胞具有毒性损伤,胎牛血清存在携带病毒、感染疾病的风险。蚕丝蛋白是一种天然的高分子纤维蛋白,具有良好的生物相容性和亲水性。本文将蚕丝蛋白用于低温保护中,探究其作为低温保护剂的机制。使用差示扫描量热法计算蚕丝蛋白的热滞活性,得出10 mg/mL的丝胶蛋白的热滞活性为0.96℃,10%丝素蛋白的热滞活性为1.15℃。使用低温显微镜观察蚕丝蛋白-磷酸盐缓冲液混合溶液的重结晶现象,发现在-7℃的停滞温度下,孵育40 min后,丝胶和丝素蛋白平均晶粒尺寸分别为磷酸盐缓冲液的28.99%、3.18%,说明丝胶蛋白和丝素蛋白具有一定的抑制冰晶重结晶的效应。利用傅里叶变换红外光谱技术分析蚕丝蛋白的基团和二级结构,并定量得到蚕丝蛋白的二级结构含量,其中丝胶蛋白二级结构中无规卷曲含量为75.62%,β-折叠结构含量为24.38%;丝素蛋白二级结构中β-折叠结构含量为56.68%,无规卷曲结构含量为22.38%,α-螺旋结构含量为16.84%。以上分析论证了蚕丝蛋白作为保护剂的可行性,为今后低温保护剂的选择提供新的思路。

关键词：蚕丝蛋白低温保护剂机制分析

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微滤式微流控系统处理低温保护剂的实验研究

机械设计与制造 2023年第4期386卷 191-195页

作者：刘杰周晓明冷顺王吉电子科技大学机械与电气工程学院四川成都611731

应用微流控技术有望解决于小体积细胞的低温保护剂(CPAs)处理问题,但现有的扩散式和透析式微流控芯片普遍存在传质效率过低的问题。这里提出一种新的膜式微流控系统,通过采用高通性的微滤膜和延长的微流道实现强化的跨膜对流传质。实验... 详细信息

应用微流控技术有望解决于小体积细胞的低温保护剂(CPAs)处理问题,但现有的扩散式和透析式微流控芯片普遍存在传质效率过低的问题。这里提出一种新的膜式微流控系统,通过采用高通性的微滤膜和延长的微流道实现强化的跨膜对流传质。实验结果表明:所设计的芯片在处理过程中产生了自发的“浓缩-稀释”效应,有效地提高了处理效率;含有10%DMSO的溶液在60ml/h速率下单次通过芯片后CPA去除率可达93%,而且在芯片中溶液浓度变化平缓可控,从而提供了一种理想的CPA处理方案。

关键词：微流控低温保护剂传质效率浓缩—稀释去除率

微流控法去除低温保护剂对卵母细胞发育的影响

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生物医学工程学杂志 2018年第1期35卷 123-130页

作者：衣星越周新丽杨云戴建军张德福上海理工大学生物系统热科学研究所上海200093 上海市农业科学院畜牧兽医研究所上海201106

为了减小低温保护剂去除过程对卵母细胞造成的渗透损伤和毒性损伤,本文利用微流控芯片对猪二次减数分裂中期(MⅡ-stage)卵母细胞低温保护剂的去除方案进行了优化研究。首先分析了微流控去除方法中去除时间、去除液成分及浓度对卵母细胞... 详细信息

为了减小低温保护剂去除过程对卵母细胞造成的渗透损伤和毒性损伤,本文利用微流控芯片对猪二次减数分裂中期(MⅡ-stage)卵母细胞低温保护剂的去除方案进行了优化研究。首先分析了微流控去除方法中去除时间、去除液成分及浓度对卵母细胞存活率及体外发育情况的影响,然后将微流控去除方法与传统的一步法、两步法进行了比较。研究结果表明,微流控法中去除总时间为8 min时,卵母细胞存活率(95.99%±4.64%)及桑椹胚率(74.17%±1.18%)与新鲜细胞(98.53%±2.94%;78.22%±1.34%)相比,差异无统计学意义;1 mol/L蔗糖去除液最有利于卵母细胞低温保护剂去除后的存活及体外发育;微流控法去除低温保护剂后,卵母细胞的存活率、体外发育情况等,均好于传统去除方法。本文研究结果提示,以微流控法去除低温保护剂可减小对卵母细胞的损伤,从而可能进一步提高卵母细胞的低温保存效果。

关键词：低温保护剂微流控芯片卵母细胞去除方案