纳米微粒加入低温保护剂溶液冻结热物性研究

摘要

生物体虽然能在低温状态下长期保存,但却极易在降温、复温过程中遭受损伤而死亡。对于复杂的细胞组织和器官,玻璃化方法可以完全避免由于结晶导致的各种冰晶损伤,被誉为是一种极具潜力的解决方法。但是由于受到降温速率和低温保护剂溶液浓度的限制,相对复杂和较大的组织无法实现玻璃化的低温保存。将纳米微粒加入溶液中能起到显著的强化传热作用,但是在溶液降温过程中对纳米悬浮液的冻结特性的研究还鲜有报道。为了研究纳米微粒对低温保护剂玻璃化能力的影响,分析纳米微粒加入低温保护剂溶液后在降温过程中的热力学行为是非常必要的。同时若能找到一种合适的纳米材料在适当的浓度和粒径下显著促进溶液的传热效率,增强溶液的玻璃化能力,将对复杂细胞、器官和组织的成功低温保存具有重要的现实意义。
　　本实验主要通过试剂配置以及DSC方法测量了加入纳米微粒后低温保护剂溶液的悬浮稳定性及冻结热物性的变化,研究了加入不同粒径,不同质量分数纳米微粒的低温保护剂溶液在不同浓度下的过冷度,比热等热物性参数,以及溶液的玻璃化和反玻璃化特性。主要结论如下:
　　1.采用超声震荡方法制备了均匀稳定的纳米微粒悬浮液。分析了纳米微粒加入低温保护剂后溶液的悬浮稳定性。超声波功率大小对悬浮液的分散性和稳定性影响并不显著。超声波作用时间对悬浮液的分散性和稳定性影响明显。超声时间过短(1h以内),超声波还未能完全阻止粒子聚集而引起沉降;超声时间过长(大于3h),则已经分散的粒子会在强烈的震荡之下重新聚集,本试验结果表明超声震荡2h能取得最佳的分散效果。实验结果还表明随着纳米粒径的增加,纳米悬浮液的稳定性随之降低,沉淀现象愈明显。
　　2.比热容是纳米悬浮液溶液的重要热物性参数,本文主要测量了不同质量分数的纳米微粒加入低温保护剂后的比热值,以及纳米微粒加入不同浓度的低温保护剂溶液后的比热变化。加入质量分数0.1％的纳米微粒后悬浮液的比热与纯溶液相比变化不明显。但是加入质量分数0.2%及以上的纳米微粒后悬浮液的比热值明显降低。当悬浮液发生玻璃化转变过程中,纳米悬浮液的比热容降低且随着纳米微粒质量分数的增加而减小;同时加入相同粒径和质量分数的纳米微粒的悬浮液,低温保护剂溶液的浓度越高,纳米悬浮液的比热容越低。
　　3.低温保护剂溶液中加入一定量的纳米微粒能显著的促进晶核的形成,降低溶液的过冷度。当溶液的浓度在0-15%的范围内时,加入纳米微粒后溶液成核温度变化不明显,但是当溶液浓度高于15%时,加入纳米微粒能显著的提高溶液的成核温度,降低溶液的过冷度。实验结果同时表明,加入纳米微粒的粒径越大、质量浓度越高,溶液过冷度的降低的越显著。
　　4.本文还通过差示扫描量热仪(DSC)试验系统,分析了不同粒径,不同质量分数的纳米微粒加入PVP低温保护剂溶液后的玻璃化性质。实验结果表明了加入一定量的纳米微粒能显著的影响悬浮液的玻璃化性质。且随着纳米微粒质量分数的增加,溶液的玻璃化转变温度与反玻璃化温度均显著降低。不同粒径纳米微粒的对悬浮液反玻璃化性质的影响不同,40nmHA纳米微粒对低温保护剂悬浮液的反玻璃化温度影响最显著,溶液的玻璃化稳定性也最低。

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第一章 绪 论

§1.1低温生物医学技术

§1.2 溶液玻璃化转变理论

§1.3纳米微粒强化传热机理分析

§1.4纳米微粒在低温生物医学中的应用及研究进展

§1.5立题的背景和意义

§1.6本课题的目的及主要研究内容

第二章 纳米悬浮液制备及稳定性分析

§2.1引言

§2.2纳米悬浮液制备及稳定性试验

§2.3试验结果及悬浮液稳定性分析

§2.4本章小结

第三章 纳米微粒对低温保护剂比热的影响

§3.1 引言

§3.2 实验设定

§3.3 实验结果分析与讨论

§3.4本章小结

第四章 纳米微粒对低温保护剂溶液过冷度的影响

§4.1序言

§4.2实验

§4.3结果分析与讨论

§4.4本章小结

第五章 纳米微粒对低温保护剂玻璃化性质的影响

§5.1序言

§5.2纳米悬浮液玻璃化性质试验设定

§5.3 实验结果分析与讨论

§5.4 本章小结

第六章 结论与展望

§6.1主要结论

§6.2主要结论展望

附 录

参考文献

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果

致谢