【摘要】：低溫生物學是熱科學、工程學和生物學與醫(yī)學之間的邊緣交叉學科。低溫保存技術(shù)和低溫醫(yī)療技術(shù)是低溫生物學的兩個最重要的應用。其中,低溫保存技術(shù)對于胚胎干細胞、血液和珍稀動植物種質(zhì)資源的長期保存及人體器官移植等均具有重要意義。制約低溫保存效果的最關(guān)鍵因素是冷凍保存對生物材料產(chǎn)生的低溫損傷,如冰晶損傷和溶質(zhì)損傷等。使用低溫保護劑能夠有效抑制低溫損傷,從而大幅提高生物材料的凍存后復活率。因此,典型的程序化慢速冷凍保存過程包括低溫保護劑導入、程序化降溫、液氮溫度下長期保存、復溫和保護劑洗脫五個環(huán)節(jié)。在每一個環(huán)節(jié)中,生物細胞和組織均會發(fā)生復雜的物理、化學和生物反應,這些反應是由細胞內(nèi)外溫度、壓力、溶液組成、蛋白質(zhì)活性及新陳代謝率的變化引起的。所以,預測上述物化參數(shù)的變化,分析低溫損傷機理,探索提高凍存后復活率的有效方法,對于低溫生物學的發(fā)展和應用具有深遠意義,也是低溫工程領(lǐng)域的研究人員面臨的重要課題。 本文應用物理化學、熱力學和傳質(zhì)學理論研究了程序化慢速冷凍保存細胞過程中的跨膜傳質(zhì)情況,應用差示掃描量熱技術(shù)和分子動力學模擬手段分別對醇和二甲基亞砜水溶液的凍結(jié)特性進行了量熱分析和分子機理探究。首先,本文以保護劑溶液相圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立了適用于非理想溶液的細胞脫水模型。該模型的預測結(jié)果表明,傳統(tǒng)的理想溶液脫水模型低估了冷凍過程中細胞的胞內(nèi)水量。而后,本文從Gibbs自由能理論出發(fā)建立了計算冷凍和復溫過程中水和保護劑跨膜傳遞量的熱力學模型,該模型針對真實溶液環(huán)境建立,避免了傳統(tǒng)模型對細胞膜的理想半透膜假設。本文應用該模型預測了ICR小鼠精子細胞和人角膜基質(zhì)細胞在冷凍過程中的體積變化。另外,本文利用差示掃描量熱儀測定了甲醇／氯化鈉／水和1,2-丙二醇／氯化鈉／水三元體系的相圖,不僅進一步擴展了新模型的適用范圍,而且證明了在有限濃度范圍內(nèi)利用甲醇／水、1,2-丙二醇／水和氯化鈉／水體系的二元相圖合成相應三元相圖的可行性。 本文利用差示掃描量熱儀測定了凍結(jié)醇和二甲基亞砜溶液的未凍水量,建立了保護劑溶液中冰的融化潛熱與溶液初始濃度的定量關(guān)系。量熱分析結(jié)果表明,隨著溶液初始濃度的增大,凍結(jié)溶液中未凍水量增多。針對宏觀實驗結(jié)果,本文還利用分子動力學模擬手段統(tǒng)計計算了乙二醇、甘油和二甲基亞砜溶液的氫鍵特性和水的自擴散系數(shù),發(fā)現(xiàn)未凍水量與保護劑-水氫鍵的比例存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,從而證明保護劑分子與水分子間氫鍵是凍結(jié)溶液中存在未凍水的直接原因。 本文的研究結(jié)果能夠更準確地預測冷凍保存過程中細胞的生物物理反應,計算胞內(nèi)水和保護劑含量的變化；擴展了低溫保護劑溶液的熱力學數(shù)據(jù)；從宏觀和微觀層次上解釋了醇和二甲基亞砜的低溫保護機理,為確定合理的低溫保存方案提供依據(jù)。
[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.
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：R318.52

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本文編號：2262233