血小板冻干保存中预冻和预复水过程的理论和实验研究

发布时间：2017-04-18 10:02

  本文关键词：血小板冻干保存中预冻和预复水过程的理论和实验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：冷冻干燥保存法是血小板长期稳定保存的一种理想方法。目前针对人血小板的冻干保存已进行了较多的实验研究,但血小板冻干复水后的细胞形态、超微结构及某些功能指标仍较新鲜血小板有较大差距,此外大容量血小板的冻干和复水过程面临着传热传质条件的限制,需要对其中的热物理问题进行研究。本文主要针对血小板冻干保存中的预冻和预复水环节,从热物理角度出发开展了以下实验和理论研究：1.实验测量了水、氯化钠和冻干保护剂海藻糖、牛血清白蛋白或羟乙基淀粉组成的三元、四元溶液的平衡冻结点；比较了计算冻结点的多项式加和法和渗透维里方程混合法则,发现前者计算结果更接近实验值；提出了根据水/氯化钠/非电解质溶液的冻结点实验数据拟合得到非电解质的修正系数,进而计算四元溶液冻结点的方法,计算值与实验值的平均标准偏差为0.46℃。2.实验测量了上述三元、四元溶液的共晶点温度瓦Teu和浓度Weu,玻璃化转变温度Tg,最大冻结浓缩浓度W'g和对应的玻璃化转变温度T'g,初始融化温度T'm。发现在最大冻结浓缩点处,不可冻结水质量与溶质质量之间存在比例关系；提出了单位质量溶质对应的不可冻结水质量基本不变的假设,得到了根据溶液组成计算多元冻干保护剂溶液Wg'、Tg'和T'm的方法,T'g和T'm的计算值与实验值之间的平均标准偏差分别为1.95℃和3.23℃。3.建立了基于冻干保护剂溶液相图的、血小板预冻过程的数值模型,分析了降温速率、冻干保护剂溶液组成、细胞内海藻糖加载量和渗透性低温保护剂的添加量对细胞内溶液状态的影响：增大冻干保护剂溶液的初始同渗重摩可以减小细胞内溶液的过冷度△Tsin;增大细胞内海藻糖的加载量,细胞内溶液过冷度△Tsin;和剩余水分含量增大；增大保护剂溶液中二甲基亚砜的浓度,细胞内剩余水分含量增加,细胞内溶液玻璃化转变温降低。4.实验研究了冻干血小板的水蒸气吸附特性,发现占干物质体积5%的血小板会对样品的水蒸气吸附等温线和等量吸附热产生显著性影响,冻干血小板的单分子层水分含量与最佳平均预复水含量吻合；根据实验数据拟合得到瓶装冻干血小板的水蒸气扩散系数,模拟了不同温湿度条件和冻干血小板厚度对预复水过程的影响：37℃时将环境湿度从85%降低到65%,3.5mm厚度冻干血小板的平均水分含量达到单分子层水分含量所需时间从48min增大到93min,但样品内部的水分含量分布更加均匀。本文得到的多元冻干保护剂溶液相图数据及其计算方法,血小板预冻过程模拟结果,冻干血小板水蒸气吸附特性以及预复水过程模拟结果,对血小板冻干/复水过程的优化具有参考价值。
【关键词】：血小板 冷冻干燥 多元溶液 相图 数学模型 水蒸气吸附 预复水
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.52;R331.143
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 主要符号表14-16
• 1 绪论16-37
• 1.1 血小板保存概述16-18
• 1.1.1 血小板概述16
• 1.1.2 血小板的保存方法16-17
• 1.1.3 冷冻干燥保存17-18
• 1.2 血小板冻干保存中受到的损伤18-21
• 1.2.1 低温和冷冻损伤19-20
• 1.2.2 干燥和复水损伤20-21
• 1.3 血小板冻干保存的实验研究进展21-28
• 1.3.1 “固定剂保护法”21-22
• 1.3.2 “海藻糖保护法”22-24
• 1.3.3 其他保护剂的选择24-25
• 1.3.4 冷冻干燥过程参数优化25-27
• 1.3.5 复水条件优化27-28
• 1.4 热力学在冻干保存中的应用28-36
• 1.4.1 冻干保存和复水过程的热力学描述29-30
• 1.4.2 冻干保护剂溶液的热物理参数30-32
• 1.4.3 细胞悬浮液的冷冻模型32-33
• 1.4.4 一次、二次干燥过程的传热传质模型33-34
• 1.4.5 水蒸气吸附特性研究34-36
• 1.5 本文研究内容36-37
• 2 三元、四元冻干保护剂溶液平衡冻结线的研究37-62
• 2.1 材料与方法37-41
• 2.1.1 溶液配制和纯度检测37-38
• 2.1.2 多元溶液组分和浓度的表达方式38
• 2.1.3 差示扫描量热仪(DSC)测量38-40
• 2.1.4 冰点渗透压仪测量40
• 2.1.5 溶液冻结点与同渗重摩的换算关系式40-41
• 2.2 多元溶液平衡冻结点的拟合与计算方法41-43
• 2.2.1 多项式加和法(PSM)41
• 2.2.2 渗透维里方程(OVE)41-43
• 2.2.3 数据拟合和分析43
• 2.3 结果和讨论43-56
• 2.3.1 多元溶液平衡冻结点的测量结果43-48
• 2.3.2 多元冻干保护剂溶液平衡冻结点的拟合与计算48-52
• 2.3.3 PSM和OVE的比较讨论52-56
• 2.4 含氯化钠的多元溶液冻结点计算方法的改进56-61
• 2.4.1 三元溶液冻结点的拟合56-58
• 2.4.2 四元溶液冻结点的计算58-61
• 2.5 本章小节61-62
• 3 三元、四元冻干保护剂溶液相图的研究62-86
• 3.1 材料与方法62-66
• 3.1.1 溶液配制62
• 3.1.2 差示扫描量热仪(DSC)测量62-63
• 3.1.3 多元溶液玻璃化转变温度线的拟合63-64
• 3.1.4 共晶浓度和最大冻结浓缩浓度的确定64-66
• 3.2 多元冻干保护剂溶液的相图66-75
• 3.2.1 水/氯化钠/海藻糖三元溶液的相图66-68
• 3.2.2 水/氯化钠/BSA和水/氯化钠/HES三元溶液的相图68-70
• 3.2.3 水/氯化钠/海藻糖/BSA和水/氯化钠/海藻糖/HES四元溶液的相图70-73
• 3.2.4 小节讨论73-75
• 3.3 多元溶液最大冻结浓缩浓度与溶液组成的关系探讨75-79
• 3.4 多元冻干保护剂溶液T'_g和T'_m值的预测79-85
• 3.4.1 关系式推导79-82
• 3.4.2 计算结果验证82-85
• 3.5 本章小节85-86
• 4 血小板预冻过程的数值模拟86-106
• 4.1 数学模型86-94
• 4.1.1 问题描述86-87
• 4.1.2 模型假设87-88
• 4.1.3 模型方程88-91
• 4.1.4 模型参数91-94
• 4.1.5 方程求解94
• 4.2 结果和讨论94-104
• 4.2.1 降温速率的影响94-95
• 4.2.2 胞外冻干保护剂组成的影响95-98
• 4.2.3 细胞内海藻糖加载量的影响98-99
• 4.2.4 渗透性保护剂二甲基亚砜的影响99-101
• 4.2.5 假设细胞内溶液为理想溶液的影响101-102
• 4.2.6 胞膜对水的渗透活化能的影响102-103
• 4.2.7 细胞外溶液过冷度的影响103-104
• 4.3 本章小节104-106
• 5 冻干血小板的水蒸气吸附特性研究106-127
• 5.1 材料与方法106-113
• 5.1.1 冻干样品的制备及剩余水分含量测量106-107
• 5.1.2 水蒸气吸附等温线测量107-109
• 5.1.3 量热法测量水蒸气等量吸附热109-111
• 5.1.4 动态水蒸气扩散吸附过程研究111-113
• 5.2 结果和讨论113-125
• 5.2.1 水蒸气吸附等温线113-118
• 5.2.2 水蒸气等量吸附热118-121
• 5.2.3 瓶装冻干血小板的水蒸气扩散系数121-123
• 5.2.4 冻干血小板预复水过程的理论分析和模拟123-125
• 5.3 本章小节125-127
• 6 结论与展望127-131
• 6.1 主要工作和结论127-128
• 6.2 主要创新点128-129
• 6.3 研究展望129-131
• 参考文献131-143
• 附录143-151
• 攻读博士期间论文以及专利情况151

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