面向生物材料玻璃化保存的微通道降复温方法研究

摘要

作为细胞等生物材料最行之有效甚至说是唯一的长期保存方法，低温保存在国民经济的众多领域都具有不可替代的作用。低温保存方法有常规慢速法和玻璃化法，玻璃化低温保存方法从机理上克服了，传统慢速法在降温和复温过程中对生物材料造成的溶质损伤和冰晶损伤，现已成为生物材料低温保存领域的主流研究方向。要实现玻璃化保存需要超高的降复温速率，而现有的降复温方法存在很大的不足，不能很好地满足玻璃化需求。本文结合微通道换热原理对生物材料玻璃化保存的降、复温过程展开了一些了的创新研究，主要内容包括：
　　（1）应用微通道换热原理，对降温、复温过程的建模和仿真，探索了生物材料片上系统降、复温过程中的换热特性，分析了结构和操作条件等因素对片上降复温过程的影响规律，从而初步建立了片上降复温系统的设计准则和优化原理；
　　（2）结合理论仿真研究成果，设计和搭建了一套用于面向生物材料玻璃化保存的微通道降、复温实验系统，包括压力驱动装置设计、数据采集设计、不锈钢容器设计、试验段结构设计。并采用导热性能良好的铜加工了不同通道长度和不同样品厚度的微通道测试芯片；
　　（3）实验研究面向生物材料玻璃化保存的微通道片上降、复温系统的换热特性。使用液氮作为降温流体、80％浓度的酒精作为复温流体，对不同通道长度和不同样品厚度的微通道芯片在不同操作压力下的降复温换热特性进行实验分析，得到不同通道长度和不同样品厚度在不同操作压力下对样品降、温速率的影响规律。
　　通过本课题的研究初步创造了一种全新的基于微通道的面向生物材料片上低温保存方法，该方法实现了样品灵活一定范围降复温，特别是实现了对较大体积对象（数十到数百微升）的超高速降复温（>55000℃/min）。相对现有方法取得了重大突破，具有广阔的应用前景和重要的社会价值，为玻璃化保存技术的应用开创了一个全新的局面。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2生物材料玻璃化保存研究现状和发展趋势

1.3课题来源及选题依据

1.4论文研究内容及结构安排

第二章 面向生物材料降复温的微通道芯片设计与分析

2.1基于微通道的生物材料片上玻璃化保存概念设计

2.2微通道换热特性

2.3生物材料片上玻璃化保存降复温系统建模仿真

2.4本章小结

第三章 面向生物材料降复温的微通道实验系统设计

3.1实验系统的总体方案

3.2工作流体压力驱动装置

3.3数据采集模块

3.4不锈钢工作流体存储容器

3.5微通道试验段结构设计与选择

3.6热电偶和样品的封装

3.7实验系统可行性测试

3.8系统误差计算

3.9本章小结

第四章 微通道系统降温特性实验研究

4.1生物材料玻璃化保存快速降温方案

4.2低温工质的选择

4.3系统降温实验结果分析

4.4本章小结

第五章 微通道系统复温特性实验研究

5.1生物材料玻璃化保存复温方案

5.2复温工作流体的选择

5.3复温实验结果分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

致谢

参考文献