生物材料低温保存中若干机械工程问题的理论和实验研究

摘要

低温保存是生物材料长期保存的主要手段，对科学研究以及临床治疗都具有重要意义。事实证明，低温保存的发展不仅依赖于生物学，也迫切需要大量的工程科学，特别是传热学、机械设计制造等机械工程学原理和技术的支持。本文从机械工程的角度研究了低温保存中的一系列基本问题，提出了相应的理论方法，并进行了大量的验证实验。主要内容包括：
　　 1、降温控制研究了一种盒中盒式降温控制方法，其基本思想是应用被动降温原理以降低能耗与设备复杂程度，并通过扁平状的盒式结构设计实现对样品的一维传热以简化对降温速率的控制。论文中理论分析了各因素对降温过程的影响作用，并进行了一系列的实验研究。无细胞溶液实验表明，盒中盒式降温仪能够实现稳定的降温过程，而且理论预测的降温速率与实际结果非常接近；造血干细胞实验则表明，盒中盒式降温方法的效果不差于程控降温方法，而优于另一种被动式降温方法。
　　 2、低温保护剂处理研究了基于膜分离原理的低温保护剂处理方法，包括透析法和单纯超滤法。对各方法分别建立了相应的处理过程理论模型，并系统地分析了各种因素对细胞回收和处理效率的影响，进而提出了寻找最优清洗流程的方法。论文中同样进行了一系列的实验以验证所提出的方法和理论模型。无细胞溶液实验证明理论模型能够准确地预测实际处理过程；冰冻解冻红细胞去甘油实验则进一步证明应用优化的单纯超滤法清洗程序能够同时获得较高的去除效率与细胞回收率，相对传统离心分离方法具有较大优势。
　　 3、设备开发与优化详述了盒中盒式降温仪和膜式低温保护剂处理仪样机的具体开发过程，并结合样机以及其他低温保存设备中普遍存在的问题，研究了机械设备装配过程和结构设计优化方法。通过在膜式低温保护剂处理仪优化设计中的应用，验证了所提出方法的合理性和有效性。
　　 4、细胞膜特性测量建立了描述测量过程中细胞体积随时间变化的分析方程，从而预测了不同实验条件对测量效果的影响，并通过实验对理论预测进行了验证。基于理论和实验结果，最终提出了一种面向细胞膜传质特性参数测量的通用实验条件优化设计方法。
　　 通过以上研究，本文期望实现“过程更安全、处理更高效、成本更低廉、操作更方便、测量更准确”的低温保存方法。研究取得的创新成果如下：
　　 1、建立了盒中盒式降温控制方法中多元溶液样品的相变过程理论模型该模型较精确地描述了设备结构尺寸及应用条件等因素对保存样品降温速率的影响，从而可以有效指导盒中盒式降温仪的设计和应用，以实现期望的样品降温速率。
　　 2、提出了基于单纯超滤原理的低温保护剂处理方法该方法通过灌注和超滤的作用实现添加和去除低温保护剂，可以有效提高处理效率并减小对细胞的渗透性损伤；相对透析法等其他膜式处理方法，该方法又进一步具有可控性好和去除大分子物质能力强等优势。
　　 3、提出了一种面向装配过程和结构设计优化的产品装配模型基于该模型可以实现计算机化地生成产品的可行装配序列，并评价装配过程中的子装配体稳定性、装配操作工作量和可行装配方向，从而实现装配序列选优，并为装配过程和结构设计优化提供量化依据。
　　 4、提出了一种面向细胞膜传质特性参数测量的通用实验条件优化设计方法该方法通过适当地选择胞内、胞外溶液的浓度，实现在得到尽量大的细胞体积变化程度的同时具有尽量缓慢的变化速度，从而获得最佳的测量效果。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 生物材料的低温保存

1.1.2 低温保存过程及其中的机械工程问题

1.2 研究现状

1.2.1 传热学研究

1.2.2 传质学研究

1.2.3 低温保存相关设备

第二章 盒中盒式降温控制方法的理论和实验研究

2.1 前言

2.2 原理设计

2.3 盒中盒式降温控制方法的理论研究

2.3.1 控制方程

2.3.2 边界条件

2.3.3 数值模拟

2.3.4 仿真结果

2.3.5 分析与讨论

2.4 盒中盒式降温控制方法的实验研究

2.4.1 无细胞溶液实验

2.4.2 人类造血干细胞低温保存实验

2.5 本章小结

第三章 膜式低温保存剂处理方法的理论和实验研究

3.1 前言

3.2 膜式低温保护剂处理方法的理论研究

3.2.1 透析法

3.2.2 单纯超滤法

3.4 膜式低温保护剂处理方法的实验研究

3.4.1 透析法去除低温保护剂实验

3.4.2 单纯超滤法去除低温保护剂实验

3.5 本章小结

第四章 设备开发及面向装配的设计制造优化方法

4.1 前言

4.2 样机的设计与制造

4.2.1 盒中盒式降温仪

4.2.2 膜式低温保护剂处理仪

4.3 基于产品装配模型的装配过程和结构设计优化方法

4.3.1 基本模型

4.3.2 装配序列规划

4.3.3 产品可装配性/可维护性评价和结构优化

4.4 本章小结

第五章 面向细胞膜传质特性测量的最优实验条件设计

5.1 前言

5.2 理论分析

5.2.1 基本的假设和方程

5.2.2 Mo与Me对t*及△V的影响分析

5.3 实验验证

5.3.1 材料和方法

5.3.2 结果

5.4 最优实验条件设计方案

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 进一步工作展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果