細(xì)胞低溫凍存?zhèn)髻|(zhì)學(xué)模型.pdf

1、細(xì)胞的低溫保存在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有重要的研究和實(shí)用意義。從胚胎干細(xì)胞的保存到一部分細(xì)胞的溫度代謝機(jī)制研究都需要依賴低溫保存過(guò)程。隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，無(wú)論是科學(xué)研究還是醫(yī)學(xué)實(shí)踐對(duì)于細(xì)胞保存都提出了更高的要求。對(duì)于珍貴而數(shù)量稀少的細(xì)胞（如卵母細(xì)胞）以往基于實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)的低溫保存手段的存活率和已經(jīng)不可接受。針對(duì)低溫保存細(xì)胞的模型不得不更深入的發(fā)掘細(xì)胞低溫保存中的物理化學(xué)機(jī)制，以期達(dá)到更好的保存效果。因此更完善的細(xì)胞低溫保存的傳質(zhì)學(xué)模型不僅可以

2、幫助對(duì)現(xiàn)有細(xì)胞低溫保存進(jìn)行工程學(xué)優(yōu)化，其階段性成果也可以輔助細(xì)胞低溫生理或物理學(xué)研究。
　　就目前低溫細(xì)胞保存領(lǐng)域的發(fā)展來(lái)看，已知的類(lèi)似的模型大部分是零維均一模型，未能考慮細(xì)胞內(nèi)部的不均一性和細(xì)胞的體積形態(tài)效應(yīng)。僅有的幾個(gè)的一維和二維模型往往把細(xì)胞看做各項(xiàng)同質(zhì)的連續(xù)體，既沒(méi)有對(duì)自由水分豐富細(xì)胞核的影響進(jìn)行討論，也缺少對(duì)細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)自由水分比例的分析考慮。
　　二十世界八十年代之后，計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展，新的流

3、體力學(xué)組分傳輸計(jì)算方法，多元互擴(kuò)散模型，動(dòng)邊界方法，多孔介質(zhì)物理流速模型不斷涌現(xiàn)。通過(guò)把這些新的數(shù)值模擬技術(shù)移植到低溫生物學(xué)領(lǐng)域，本文創(chuàng)建了一個(gè)全新的“帶細(xì)胞核二維軸對(duì)稱(chēng)動(dòng)邊界細(xì)胞傳質(zhì)模型”，用于模擬細(xì)胞在低溫保存中的形態(tài)變化和組分傳質(zhì)過(guò)程。
　　該模型基于流體力計(jì)算軟件Fluent和并行運(yùn)行的C程序，模擬了細(xì)胞在低溫脫水中的復(fù)雜組分運(yùn)輸過(guò)程。其中Fluent的物理流速多孔介質(zhì)模型和多元微擴(kuò)散模塊成功的模擬了復(fù)雜多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的組

4、分?jǐn)U散。而并行的C程序準(zhǔn)確的控制了控制體邊界的形變，同時(shí)預(yù)測(cè)了冰晶生長(zhǎng)的趨勢(shì)。依賴它們的同步運(yùn)作，該模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞內(nèi)不均一的擴(kuò)散系數(shù)，粘性系數(shù)孔隙率的模擬，實(shí)現(xiàn)了控制體邊界，冰晶生長(zhǎng)，擴(kuò)散系數(shù)，粘性系數(shù)與局部組分濃度之間的耦合，計(jì)算得出了細(xì)胞結(jié)構(gòu)對(duì)組分細(xì)胞冷凍中傳質(zhì)的影響。
　　運(yùn)用該模型，本文對(duì)不同保護(hù)液濃度和不同降溫速率的細(xì)胞冷凍保存過(guò)程進(jìn)行了模擬。得出了水分，鹽分和保護(hù)液濃度的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程空間時(shí)間分布圖。本文又發(fā)展出了冰晶生