冷冻干燥人红细胞复水时膜相变与复水损伤机理探讨

制备人的红细胞血影并冷冻干燥，利用差式扫描量热仪（differential scanning calorimeter, DSC）测量其相变温度区间为10℃附近和32—35℃. 冻干红细胞在复水前后可能经历膜相变. 若复水温度不当，在相变过程中会因胞内物质的泄露而造成细胞损伤. 为避免在复水时膜相变引起损伤，复水温度应在35℃以上. 实验中冻干保存人的红细胞，在不同温度下复水，发现37℃复水效果较好，与相变损伤理论分析吻合. 该研究探讨了冻干人红细胞在复水时除渗透性损伤外因膜相变引起的损伤机理，对其他生物材料的冻干保存也具有参考意义.     

一种测定生物组织在233～293K温区导热系数的方法

微珠状热敏电阻作为球形热源传热模型的基础上，提出适用于较宽温区生物组织导热系数测量的方法，同时为解决小尺度生物组织的测量提供了有效途径。对标准样品在233—313K温度范围导热系数测量的最大误差为5．1％。在233—293K温度范围内对家兔新鲜离体器官心脏、肝脏、肾脏和颈动脉血管的导热系数进行了实验测定，结果表明生物组织在低温下的导热系数与冰的相差很大。     

重力场对人工肾传质影响的实验研究

自行设计并搭建了人工肾透析系统,实验研究了人工肾4种不同放置方式下(水平放置透析液进出口向上、水平放置透析液进出口向下、竖直放置血流向上、竖直放置血流向下)尿素和肌酐的传质情况.结果表明,重力场对人工肾传质影响显著,竖直放置血流向上清除率最高,竖直放置血流向下清除率最低.该结果对临床应用中提高人工肾的透析效率,以及人工肾透析机的优化设计均有重要的指导意义.     

平衡冷冻过程中细胞体积的确定

使用新型的电子粒子计数仪(EPC)(Electronic Particle Counter, Multisizer^TM 3, Beckman Coulter Inc., USA)测定了人RBC(红细胞)在不同渗透压的NaCl溶液中的体积, 并使用冷冻过程细胞模型预测了RBC在生理盐水(0.9% NaCl溶液)中平衡冷冻的体积变化. 假定温度对RBC的体积的影响相对渗透压而言可以忽略, 则通过NaCl-H₂O二元溶液的相图可获得不同温度下NaCl溶液的渗透压值(通过质量百分比浓度换算得到), 从而将计算的体积值与以上测量值相互验证.     

流速与预填充对透析清除低温保护剂的影响

生命材料冷冻复温后低温保护剂的去除是影响其低温保存效果的一个很重要的因素.透析方法可以快速有效地去除低温保护剂.为了得到优化的透析清洗程序,变化清洗液以及血液流速,实验测定了透析法清除红细胞低温保护剂甘油过程中细胞渗透压的变化.结果发现:初始时刻透析液侧预填充高渗保护剂溶液以及降低血液和清洗液的流速能有效避免初始时刻渗透压突变,降低渗透损伤;在清洗的后期加快血液和清洗液的流速,可以有效提高清洗效率,缩短保护剂的清洗时间.     

人类红细胞胞内束缚水的EPC与DSC方法比较研究及其应用

使用新颖的差示扫描量热仪方法测定了人类红细胞从0℃冷冻至–40℃这一过程终结时的体积值, 为等渗体积的53%. 使用一种新型的颗粒粒度及计数分析仪 (Multisizer^TM 3, Beckman Coulter Inc, USA)测定了人类红细胞在各种非等渗溶液中的平衡体积, 溶液渗透压增加至3186 mOsm (mol·kg_水^–1）, 红细胞的最终体积值为等渗体积的57%. 两种实验方法均表明大约34%~40%的红细胞胞内水被束缚在细胞内, 不能参与渗透性迁移. 实验结果和文献结论“至少20%~32%的等渗胞内水被保留在红细胞内”相符. 基于这一实验结果, 改进了传统的细胞冷冻模型, 并使用改进后的模型预测冷冻过程中红细胞在不同降温速率下的体积变化过程. 随后对这一结果在细胞低温冷冻保存和冻干保存中的应用进行了探讨.     

在三元溶液低温相变过程中细胞反应的数值模拟

应用多组分相变系统的连续体模型，对三元溶液（NaCl-H2O-CPA)低温相变过程中的细胞反应进行数值模拟。为了检验数值分析的结果，在特定条件下，提出一种解决多组分系统相变问题的近似分析方法，并在相同条件下，将此结果与数值分析的结果进行比较，两者基本一致。     

测定冷冻过程中细胞体积变化的DSC方法

给出了一种利用差示扫描量热仪(DSC)间接测定在冷冻过程中细胞体积变化的理论模型,并且以此为基础设计了一套实验方案. 为了验证这一方法的正确性,分别使用差示扫描量热仪和颗粒粒度及计数分析仪(EPC)两种方法测定了平衡冷冻过程中人红细胞(RBC)的体积变化,两者结果相符. 将压积比已知的等渗细胞悬浮液(0.9% NaCl 溶液 人红细胞)从-0.53℃分别降温至 -1, -1.53, -2.53, -3.53, -4.53, -5.53, -7.53, -9.53℃,使用DSC测定该平衡冷冻过程中所释放的热量. 平衡降温至-1, -1.53, -2.53, -3.53, -4.53, -5.53, -7.53, -9.53℃温度下细胞的无量纲化体积由理论模型相应的方程计算得出. 使用新型EPC测定了人RBC在不同质量渗摩尔浓度下的 NaCl 溶液中的体积. 假定温度对细胞平衡体积的影响相对渗透压而言可以忽略, 则通过NaCl-H2O二元溶液的相图可以获得不同温度下NaCl溶液的质量渗摩尔浓度(通过质量百分比浓度换算得到). 进而,使用DSC方法得到的平衡降温过程中RBC的体积变化可以与使用EPC方法的测量结果相互验证.     

离子水合对胞内冰成核与生长的影响

使用Karlsson于1994年建立的细胞内冰晶成核与生长的模型研究了细胞内Na 和Cl-离子的水合对细胞内冰晶成核的影响.对水合层中的水分子数h取3个典型值0.0,1.0,2.0,详细研究了细胞内冰晶的成核与生长过程.取细胞内溶液为H2O-NaCl-丙三醇(Glycerol)三元系统,研究发现随着h值的增加,细胞内最终冰晶体积分数减少,而胞内冰晶成核的起始温度不变.取玻璃化转变对应的冰晶体积分数临界值为10,结果表明h的取值对玻璃化转变条件的确定有本质影响.对H2O-NaCl-Glycerol研究表明,在描述胞内冰成核与成长的理论模型中,h应为一状态函数h([cw,cs,ca],T)(其中cw,cs,ca分别是细胞内H2O,NaCl和丙三醇的质量分数).为进一步完善胞内冰晶成核与生长的模型,必须建立低温下h值与溶液组分、温度之间的函数关系.     

生命材料低温保护剂溶液二维降温结晶过程中的分形特征

在低温显微镜下,观察了低温保护剂溶液在降温过程中冰晶的成核与生长过程,并对异相成核结晶过程的图像做了数字处理.观察了冰晶在降温过程中的边界变化规律,发现异相成核后溶液的冰晶最终呈树枝状结构生长,而且随着降温速率加快,冰晶快速生长.对其进一步的分析表明,该过程具有分形的特征.鉴于这种结构形态变化的时间尺度易于观测,同时也反映了随着溶液黏度升高,水分子扩散难度越来越大,而水分子数目则随结冰量增加又减少等内在规律,则可以通过观察该过程结构形态变化,来研究溶液黏度、水分子扩散和结晶能力随降温速率、保护剂类型及浓度的变化规律.其结构的分形特征,恰好提供了理论工具,即可以在分形理论的框架内分析和了解这些规律.在目前还没有找到合适物理模型的情况下,研究低温保护剂溶液降温结晶和升温再结晶/反玻璃化的预防措施具有非常重要的意义.