细胞低温保存跨膜传质机理及保护剂溶液冻结特性研究
[Abstract]:Low-temperature biology is the interdisciplinary subject of thermal science, engineering and biology and medicine. Cryopreservation and low-temperature medical technology are two most important applications of low-temperature biology. The cryopreservation technique is of great significance to the long-term preservation of embryonic stem cells, blood and rare animal and plant germplasm resources and human organ transplantation. The most critical factors which restrict the effect of low temperature preservation are freezing preservation of low temperature damage to biological materials, such as ice crystal damage and solute damage. By using the low-temperature protective agent, the low-temperature injury can be effectively inhibited, thereby greatly improving the freeze-thaw recovery rate of the biological material. Therefore, the typical programmed slow freezing preservation process includes the introduction of cryoprotectant, programmed cooling, long-term preservation at liquid nitrogen temperature, and the elution of complex mild protective agent. In each link, biological cells and tissues undergo complex physical, chemical and biological reactions that are caused by changes in temperature, pressure, solution composition, protein activity, and metabolic rate within and outside the cell. Therefore, the change of the above-mentioned physical and chemical parameters is predicted, the mechanism of low temperature damage is analyzed, and the effective method for improving the recovery rate after freezing storage has profound significance for the development and application of low temperature biology, and is also an important topic for researchers in the field of low temperature engineering. In this paper, physical chemistry, thermodynamics and mass transfer theory were used to study the trans-membrane mass transfer in programmed slow freezing storage cells. In this paper, the thermal analysis and molecular mechanism of the freezing properties of alcohol and water solution were carried out by means of differential scanning calorimetry and molecular dynamics simulation. First of all, this paper establishes the cell dehydration suitable for non-ideal solution based on the phase diagram of the protective agent solution. The prediction of the model shows that the traditional ideal solution dehydration model underestimates the intracellular concentration of cells in the freezing process. Based on the theory of free energy, this paper establishes a thermodynamic model for calculating the trans-membrane transfer of water and protective agent in the process of freezing and rewarming. The model is based on the real solution environment, which avoids the ideal semi-permeable membrane of the traditional model to the cell membrane. This model is used to predict the volume of sperm cells and human corneal stromal cells in ICR mice during freezing. In addition, the phase diagram of methanol/ sodium chloride/ water and 1,2-propanediol/ sodium chloride/ water ternary system is determined by using the differential scanning calorimeter, which not only expands the scope of application of the new model, but also proves that methanol can be used in the limited concentration range. The binary phase diagram of water, 1,2-propanediol/ water and sodium chloride/ water system is used to synthesize the corresponding ternary phase diagram. In this paper, the unfrozen water quantity of frozen alcohol and alcohol solution was determined by using the differential scanning calorimeter, and the latent heat of melting ice and the initial concentration of the solution were established in the protective agent solution. The quantitative relationship and the quantitative thermal analysis show that, as the initial concentration of solution increases, the frozen solution does not In the light of macroscopic experimental results, the hydrogen bond characteristics and self-diffusion coefficient of water were calculated by means of molecular dynamics simulation, and the ratio of unfrozen water to protective agent-water hydrogen bond was found to be significant. It is proved that the hydrogen bond between the protective agent molecule and the water molecule is the frozen water in the frozen solution. The results of this paper can predict the biophysical responses of cells in frozen storage more accurately, calculate the changes of intracellular water and protective agent content, and extend the cryoprotectant. The mechanism of low temperature protection of alcohol and alcohol is explained from the macroscopic and microscopic levels to determine the reasonable low temperature.
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:R318.52
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,本文编号:2262233
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