肾器官冰温保存及相关基础问题研究

论文摘要

本文围绕冰温用于复杂生物组织保存的热学机理这一基础科学问题展开研究，从细胞基础实验至活体器官的成功移植，系统研究了复杂生物组织在冰温条件下的传热传质特性。采用先进的可视化手段动态观察并研究降温过程中，细胞热质传递的现象规律。依据生物体真实形状，对肾器官的三维瞬态温度场进行重构。从新的角度、从宏微观两个层面上，对冰温保存复杂生物组织的传热机理以及相关特征做出较为全面的认识。文中对冰点温度以下的冻结过程进行了分析，研究了细胞在冻结保存中由于不同的冷冻条件而产生的损伤及其原因。分别从细胞的渗透特性、机械挤压损伤及胞内冰这三个方面对细胞的损伤进行了分析并探讨了损伤产生的机理。对于器官保存的研究内容主要包括：（1）建构猪肾脏血管树的物理模型并将其转化为计算机可识别的数学模型，在此基础上对肾脏冷灌注过程中的三维温度场进行了瞬态模拟。（2）为了研究复杂生物组织在降温过程中，因温度梯度较大而导致热应力，采用ANSYS Workbench多物理场协同计算模块对肾脏组织的热应力进行了数值模拟。在计算模型中将肾脏组织、微毛细血管簇等视为多孔介质。在热结构耦合场计算中，将肾脏组织、动静脉血管壁视为固体介质，最后分析了不同灌注工况下，温度场与热应力的相关性。对肾脏器官冷灌注过程进行温度场、热应力场数值重构，目的在于探索冷激励作用下，温度以及降温速率耦合作用引起的生物力学效应，分析这种微小的热应力或热变形对细胞是否会造成物理损伤。（3）在冰温技术应用于器官延时保存的基础研究方面，分别测量了肾细胞悬液，肾器官的冰点温度等生物热物性参数。比较了不同保存温度对器官细胞活性的影响，冰温保存与目前临床应用的保存温度相比，降低了3-4℃。本文提出的保存温度（-0.8℃），可有效抑制组织细胞的基础代谢率，减少细胞的能量消耗，降低低温损伤引起的细胞凋亡。将所提出的保温方法及保存温度，施用于猪肾脏自体移植临床试验，取得了延时20小时以上的良好效果。通过深层次研究冰温范围复杂生物组织宏微观热质传递的特性，将生物传热与生物医学两个学科中的基础研究关键问题结合在一起，实现了理论凝练和技术创新。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 生物组织的低温保存
• 1.1.1 低温保存原理
• 1.1.2 细胞的低温保存及损伤
• 1.1.3 器官的低温保存及损伤
• 1.2 冰温技术
• 1.2.1 冰温用于器官保存
• 1.2.2 器官保存过程中的热物理问题
• 1.3 主要研究内容
• 第二章 降温过程中的细胞损伤
• 2.1 肾细胞渗透特性
• 2.1.1 细胞膜
• 2.1.2 细胞膜渗透特性的数学描述
• 2.1.3 细胞体积的测定
• 2.1.4 细胞对水的渗透系数
• 2.2 肾细胞冻结过程中机械挤压损伤
• 2.2.1 水溶液冻结过程相平衡曲线
• 2.2.2 细胞机械损伤的检测方法
• 2.2.3 实验结果与讨论
• 2.3 本章小结
• 第三章 胞内冰产生时间特性
• 3.1 CPA 与胞内冰
• 3.2 不同过冷度对胞内冰生成的影响
• 3.3 胞内冰产生机理的讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 器官冷灌注的实验研究
• 4.1 肾器官冷灌注过程的温度变化特性
• 4.1.1 肾器官的冷灌注实验
• 4.1.2 灌注过程中内部及表面温度变化
• 4.2 肾脏组织力学参数
• 4.2.1 线性热膨胀系数
• 4.2.2 杨氏模量
• 4.3 本章小结
• 第五章 肾器官冷灌注过程的温度场及应力场数值模拟
• 5.1 物理模型的建立与网格划分
• 5.1.1 肾器官物理模型的建立
• 5.1.2 网格划分
• 5.2 多孔介质模型
• 5.3 数学模型与边界条件
• 5.4 肾脏灌注过程温度场模拟结果
• 5.4.1 模拟结果的验证
• 5.4.2 灌注过程中肾脏表面温度场
• 5.4.3 肾脏内部截面温度场
• 5.4.4 肾脏内部血管温度分布
• 5.5 CFX 与 ANSYS 热应力耦合场计算
• 5.5.1 肾脏组织的热应力场、变形场
• 5.5.2 肾脏组织内部横、纵截面热应力、变形变化分析
• 5.5.3 肾脏内部血管热应力、变形变化
• 5.6 不同灌注条件对肾脏内部温度场、应力场、热变形的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 冰温技术应用于动物肾器官的保存
• 6.1 细胞的冰温保存
• 6.2 器官的冰温保存
• 6.3 动物肾器官延时保存及移植实验
• 6.3.1 肾脏冰点温度的确定
• 6.3.2 自体肾移植模型的建立
• 6.3.3 临床移植效果
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 本文创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢