生物材料冷冻特性及冻融传递现象机理

论文摘要

论文以生物组织冷冻特性为对象,通过可视化实验、微CT扫描重构实验和显微PIV实验方法,探讨生物组织冷冻特性,总结影响冷冻过程及生物组织变化的因素,分析水分形态和内部结构对于生物组织冷冻特性的影响。进一步结合热科学的理论和研究方法,重点考察核化过程、冰晶界面特性、晶枝间的竞争现象以及界面附近的流动形态等基础现象,进行深入基础理论探析,全面了解和认识生物多孔介质冷冻过程中的传递现象及其机理。生物材料冷冻中冰晶产生生长及冻融过程后生物活性的维持,都与生物组织中水分形态及分布有密切联系,而生物组织内部结构影响了水分分布,并且冷冻过程中本身的变化,也会对冰晶产生及界面附近的传递现象产生影响。水分存在形态与生物组织的内部结构存在相互影响的耦合效应。剥离出水分形态和组织结构两个影响生物组织冷冻特性的因素,利用预置骨架结构进行模拟实验来简单讨论组织结构对溶液冷冻特性的影响,以盐溶液来对水分形态的影响进行模拟研究,着重实验观察探讨冰晶的生长特性。将统计力学涨落理论引入过冷溶液核化理论中,引进核化特征长度定义,该概念一方面代表了系统内产生核化点的平均分布尺度,另一方面也是对系综内核化能力的衡量。借助核化几率的推导、计算,可以对一定体积的封闭溶液系统在降温过程中的核化几率变化有更为清晰的认识,并对细胞内冰晶产生这一影响生物组织冷冻损伤的重要过程进行讨论。结合实验现象总结溶液单向冷冻过程中冰晶生长和界面形态发展特性,分析其中的控制因素和产生机理。定义冰晶界面发展过程的三个阶段,通过对界面区扰动发展、浓度分布的分析说明界面规则形态的形成和维持。总结了界面发展过程中因为内部或者外界扰动导致的晶枝间竞争现象,分析其驱动力。分析探讨界面区域微细流动对冰晶界面附近传递过程的影响,给出晶枝间区域存在的热毛细流动理论表达式,讨论了流动对于界面生长和传递过程的影响,数值计算与荧光显微PIV实验观测结果的比较显示出良好的一致性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 生物组织冻融损伤
• 1.2.1 生物组织冷冻损伤的双因素理论
• 1.2.2 冷冻过程中细胞内冰晶的产生
• 1.2.3 影响生物组织冷冻损伤的其他因素
• 1.3 核化理论
• 1.3.1 经典核化理论
• 1.3.2 统计力学涨落理论与核化
• 1.4 二元溶液结晶理论
• 1.4.1 溶液中冰晶生长特性
• 1.4.2 外部条件对结晶过程的影响
• 1.5 结晶过程的微细流动
• 1.5.1 流动成因
• 1.5.2 流动对晶体微细结构的影响
• 1.5.3 接触线附近的热毛细流动
• 1.6 研究的主要不足及本文的研究目标
• 1.7 研究思路和主要内容
• 第2章 实验系统与方法
• 2.1 引言
• 2.2 X 光微CT 扫描重构分析实验
• 2.2.1 X 光微CT 系统原理
• 2.2.2 图像处理与分析
• 2.3 单向冷冻可视化实验
• 2.4 生物材料冷冻实验
• 2.5 荧光显微PIV 观测实验
• 2.5.1 PIV 系统工作原理
• 2.5.2 图像处理方法
• 2.5.3 实验结果处理程序
• 2.6 本章小结
• 第3章 冻融过程与孔隙内部性质的耦合效应
• 3.1 引言
• 3.2 水分形态对冻融的影响
• 3.2.1 实验现象特征
• 3.2.2 生物材料中水分存在形态
• 3.2.3 细胞生物活性
• 3.2.4 水分与生物材料冷冻保存
• 3.3 生物多孔结构的影响
• 3.3.1 冻融中的组织结构变化
• 3.3.2 冰晶界面特征
• 3.3.3 内部结构与含水的关系
• 3.4 丝网骨架中的冻结特性
• 3.4.1 冻结过程基本特性
• 3.4.2 冰晶生长特性
• 3.4.3 骨架影响浅析
• 3.5 本章小结
• 第4章 二元溶液中的冻结核化
• 4.1 引言
• 4.2 经典核化理论与核化速率
• 4.2.1 经典核化理论
• 4.3 核化点的空间分布
• 4.3.1 能量涨落与核化点的产生
• 4.3.2 核化点特征长度
• 4.3.3 核化的空间效应
• 4.4 系统内的核化几率
• 4.4.1 核化点产生几率
• 4.4.2 影响核化几率的因素
• 4.4.3 生物细胞内液体降温核化
• 4.5 本章小结
• 第5章 溶液中冰晶界面特性
• 5.1 引言
• 5.2 冰晶界面的规则排布
• 5.2.1 界面发展过程
• 5.2.2 界面形态与稳定
• 5.2.3 界面附近的浓度分布
• 5.2.4 界面规则形态的维持
• 5.3 晶枝竞争现象
• 5.3.1 外界扰动产生局部扰动晶枝
• 5.3.2 冰晶界面发展过程的竞争现象
• 5.3.3 竞争过程新生晶枝的成长
• 5.3.4 竞争现象的驱动力
• 5.3.5 生物材料中的冰晶行为与界面
• 5.4 本章小结
• 第6章 界面区域流动特性
• 6.1 引言
• 6.2 晶枝界面附近的流动
• 6.2.1 界面前方的自然对流
• 6.2.2 晶枝间热毛细流动形态
• 6.2.3 流动的影响
• 6.3 界面区域流动特性观察实验
• 6.3.1 实验结果
• 6.3.2 对比分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果