單模諧振腔微波對冷凍生物材料復溫的實驗與數(shù)值研究及優(yōu)化設計.pdf

1、低溫保存中，影響細胞或組織存活的一個重要因素是其復溫過程。傳統(tǒng)的復溫方式都是將低溫保存后的細胞和組織放到37℃的水浴或者直接暴露在空氣中進行復溫，這些方式有很大的弊病，首先由于生物材料相對較低的導熱系數(shù)與較大的比熱容，采用傳統(tǒng)復溫方式很難獲得較高的復溫速率；其次，由于只是在表面加熱，將導致不同區(qū)域之間會存在大的溫度梯度，從而形成熱應力對組織造成機械損傷。微波所具有的穿透性與熱效應，使得其對物體的加熱過程是一體積效應，因此用微波加熱低溫保

2、存后的生物組織看起來是解決目前復溫問題的關鍵所在。但是，如果對微波加熱過程不加以控制，那么由于會出現(xiàn)“加熱失控”而很難達到對組織的均勻加熱。因此必須對微波復溫過程進行實驗和數(shù)值上的研究，以達到均勻復溫的目的。微波復溫的加熱均勻性影響因素很多，包括樣品物性、微波腔模式、樣品尺寸形狀等，因而十分復雜。 本文首先針對復溫過程中生物組織低溫下物性的缺乏，建立了一套測量系統(tǒng)并測量了幾種材料的物性。利用波導測量線設備與低溫水浴建立了一套測量

3、低溫下生物組織和低溫保護液介電常數(shù)與電導率的實驗系統(tǒng)，用已知其材料物性的有機玻璃與聚乙烯對實驗系統(tǒng)進行了驗證，證明了該系統(tǒng)能夠?qū)Σ牧系慕殡姵?shù)與電導率進行精確測量。測量了-45℃到30℃，頻率為8～12GHz的豬類脂肪、-25℃到30℃，頻率為8～12GHz的豬后腿肌肉和體積比濃度為5％、15％和30％DMSO溶液在-25℃到15℃之間的介電常數(shù)與電導率，并對三者隨溫度變化的特性進行了對比討論，總結了生物組織在-10℃附近介電物性的變化

4、規(guī)律與低溫保護液介電物性隨濃度變化的規(guī)律。引入熱穩(wěn)定因子，分析了前面三種所測材料的熱穩(wěn)定性。 其次建立了微波腔中復溫的三維數(shù)值模型，分析了樣品內(nèi)部電場均勻度隨微波腔模式、樣品物性、樣品尺寸與形狀的變化規(guī)律，提出一些改善復溫結果的方法。首次用有限元法建立了微波復溫的三維數(shù)值模型，該模型被文獻的實驗數(shù)據(jù)所驗證。然后采用該模型對樣品內(nèi)部電場不均勻度的影響因素進行了分析，發(fā)現(xiàn)TE101模的諧振波比TE103模在樣品內(nèi)部具有更好的均勻性分

5、布。接著分析了樣品物性對內(nèi)部電場分布的影響，發(fā)現(xiàn)所分析的樣品內(nèi)部電場強度峰值隨介電常數(shù)εr增大而減小，不均勻度隨電導率σ增大而增大。針對球形、方形與圓柱形三種基本形狀的樣品，比較了內(nèi)部電場分布不均勻性，同時也比較了圓柱形樣品三種擺放方式時的不均勻性分布，從比較結果中發(fā)現(xiàn)球形樣品具有最好的電場分布均勻性，最有可能實現(xiàn)均勻復溫。最后分析了不同尺寸的球形樣品內(nèi)部電場不均勻性分布，發(fā)現(xiàn)不均勻度變化與直徑的平方成正比，而不同尺寸樣品相同位置的不均

6、勻度卻比較接近。 最后討論分析了微波復溫的優(yōu)化設計，引入復合復溫概念，分析并討論了對流以及開停循環(huán)對復溫結果的影響。對比分析了幾個不同功率下無對流時的微波復溫過程及最大溫差，以及在一定輸入功率的工況下，由不同對流換熱系數(shù)的復合復溫所形成的結果，發(fā)現(xiàn)加入對流的復合復溫不但可以加快球殼的升溫速度，還可以抑制球中心的升溫速度，同時也發(fā)現(xiàn)太大的對流換熱系數(shù)將在外球殼內(nèi)造成更大的溫度梯度。提出一個最大對流換熱系數(shù)的估算公式，采用該公式計算