用于细胞存储的低温系统的模拟优化与实验研究

发布时间：2020-09-26 18:55

　　伴随着生命科学的快速发展,细胞治疗成为继药物治疗、手术治疗之后的新热点,然而细胞冻存的质量成为限制细胞治疗技术发展的核心要素。细胞冻存所涉及的冷冻过程的降温速率、存储过程的温度均匀性和自动化存取过程中机械手的正常工作等问题的研究,是保证细胞冻存质量的关键所在。为此,本文基于生物细胞存储过程中的上述问题,设计了一套低温系统,并展开模拟优化、理论计算和实验研究。通过建立关于低温分层试验箱的CFD模型,进行了存储空间内气流组织形式的设计,包括送风方式、进出风口高度以及换热方式的优化,实现试验箱在120K~300K范围内的温度分层,其中低温区(120K~140K,0~300mm空间)用于细胞存储,常温区(270K~300K,500~1160mm空间)为机械手臂的自动化存取提供可正常工作的温区;通过运行参数优化,包括上下方冷热氮气的送风流量和送风温度,将低温区的温度均匀度控制在±5K的范围内,保证系统内所有细胞样品都能够尽可能均匀地接收相同的温降曲线,以此确保所有存储的样品质量相当;此外通过调节箱内送风温度,实现降温速率在5K/min~30K/min内的大范围可调,满足该低温系统对于不同类型细胞的冷冻存储。此外,本文在模拟优化的基础上,通过理论计算设计并搭建了低温分层试验系统,包括低温供给系统、低温分层实验箱、送排风系统、数据采集系统等,具体对实验箱的热负荷以及低温供给系统中的液氮盘管、气液换热器、氮气送风孔板、液氮气动控制阀等进行选型计算,并根据计算结果搭建低温系统试验台。基于低温分层试验系统进行降温过程和稳态过程下的实验验证,对箱内的降温过程时的降温速率以及稳态过程中的温度分层情况和温度均匀性进行实验研究,并与模拟结果进行对比验证,以此评估送风方式、进出风口高度等结构参数和送风温度、送风流量等优化方案的可靠性和实验设计方案的可行性。采用模拟优化参数进行实验研究,结果表明:达到稳态时箱内300mm、500mm、700mm、900mm高度平面上的温度分别为133.3K、193.3K、286.6K、290K,与模拟数据吻合度较高;对箱内低温区的温度均匀性的实验研究显示,300mm高度平面上的稳态最大温度差在2~3K,且300mm平面上不同方位上的降温曲线基本重合,说明300mm高度平面在降温过程中的温度均匀性也较好,因此将300mm高度以下的低温区域设为细胞存储区域,可以保证存储区内温度均匀性良好,且降温过程中位于同一存储平面上的细胞降温速率一致,冻存后细胞质量相当;对于降温速率的实验研究中,采用模拟送风温度方案后的实验值与模拟值基本吻合,表明实验降温过程中通过控制送风温度,从而对降温速率进行控制,实现降温速率在5~40K/min范围内的可控性。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212;R456
【部分图文】：

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第一章绪论胞类型对降温速率和存储温度进行个性化操作，即使在低温环境下也可保证较高的温度精度，表 1-1 列出了目前市场上使用的一种程序降温仪的技术参数，但程序降温仪存在着人工操作带来存取出错率以及破坏温场均匀性等弊端；自动化细胞存储系统是目前最先进最智能化的一种细胞冻存方案，如图 1-3 所示，在结构设计上由下部的气相液氮存储罐及上部的自动化机械部分组成，通过在细胞存储系统中增加智能机械手，方便细胞存储同时降低存取出错率，如图 1-4 所示，然而机械手在细胞存储的低温环境下会产生机械故障[14-15]，因此为细胞存储系统的温场设计增添了难点。

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图 1-3 自动化液氮存储系统的结构图 1-4 细胞存储箱内机械手Fig.1-3 Structure of automatic liquid nitrogenstorage systemFig.1-4 Manipulator inside the cell storagebox1.2 国内外研究进展1.2.1 细胞冷冻存储的研究进展高质量的细胞冻存可以保证解冻后的细胞活性，为后续临床治疗的有效开展奠定了基础，是细胞治疗技术得以应用发展的前提。细胞的冷冻存储主要分为冷冻和保存两个阶段，评价细胞冻存质量的标准是解冻后的细胞存活率，其与细胞冷冻存储过程中冻存参数有关，国内外针对细胞质量影响因素开展了如下研究：（1）冷冻PT Tran 等人[16]通过对小鼠骨髓细胞冻存存活率的研究发现，在细胞冷冻过程中，影响细胞冷冻质量的关键因素：一是冷冻速率，二是冷冻过程中的温度均匀性。

【参考文献】