伴隨著生命科學(xué)的快速發(fā)展,細(xì)胞治療成為繼藥物治療、手術(shù)治療之后的新熱點(diǎn),然而細(xì)胞凍存的質(zhì)量成為限制細(xì)胞治療技術(shù)發(fā)展的核心要素。細(xì)胞凍存所涉及的冷凍過程的降溫速率、存儲過程的溫度均勻性和自動(dòng)化存取過程中機(jī)械手的正常工作等問題的研究,是保證細(xì)胞凍存質(zhì)量的關(guān)鍵所在。為此,本文基于生物細(xì)胞存儲過程中的上述問題,設(shè)計(jì)了一套低溫系統(tǒng),并展開模擬優(yōu)化、理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。通過建立關(guān)于低溫分層試驗(yàn)箱的CFD模型,進(jìn)行了存儲空間內(nèi)氣流組織形式的設(shè)計(jì),包括送風(fēng)方式、進(jìn)出風(fēng)口高度以及換熱方式的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱在120K~300K范圍內(nèi)的溫度分層,其中低溫區(qū)(120K~140K,0~300mm空間)用于細(xì)胞存儲,常溫區(qū)(270K~300K,500~1160mm空間)為機(jī)械手臂的自動(dòng)化存取提供可正常工作的溫區(qū);通過運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化,包括上下方冷熱氮?dú)獾乃惋L(fēng)流量和送風(fēng)溫度,將低溫區(qū)的溫度均勻度控制在±5K的范圍內(nèi),保證系統(tǒng)內(nèi)所有細(xì)胞樣品都能夠盡可能均勻地接收相同的溫降曲線,以此確保所有存儲的樣品質(zhì)量相當(dāng);此外通過調(diào)節(jié)箱內(nèi)送風(fēng)溫度,實(shí)現(xiàn)降溫速率在5K/min~30K/min內(nèi)的大范圍可調(diào),滿足該低溫系統(tǒng)對于不同類型細(xì)胞的冷凍存儲。此外,本文在模擬優(yōu)化的基礎(chǔ)上,通過理論計(jì)算設(shè)計(jì)并搭建了低溫分層試驗(yàn)系統(tǒng),包括低溫供給系統(tǒng)、低溫分層實(shí)驗(yàn)箱、送排風(fēng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等,具體對實(shí)驗(yàn)箱的熱負(fù)荷以及低溫供給系統(tǒng)中的液氮盤管、氣液換熱器、氮?dú)馑惋L(fēng)孔板、液氮?dú)鈩?dòng)控制閥等進(jìn)行選型計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果搭建低溫系統(tǒng)試驗(yàn)臺。基于低溫分層試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行降溫過程和穩(wěn)態(tài)過程下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對箱內(nèi)的降溫過程時(shí)的降溫速率以及穩(wěn)態(tài)過程中的溫度分層情況和溫度均勻性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并與模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證,以此評估送風(fēng)方式、進(jìn)出風(fēng)口高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)和送風(fēng)溫度、送風(fēng)流量等優(yōu)化方案的可靠性和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性。采用模擬優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明:達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)箱內(nèi)300mm、500mm、700mm、900mm高度平面上的溫度分別為133.3K、193.3K、286.6K、290K,與模擬數(shù)據(jù)吻合度較高;對箱內(nèi)低溫區(qū)的溫度均勻性的實(shí)驗(yàn)研究顯示,300mm高度平面上的穩(wěn)態(tài)最大溫度差在2~3K,且300mm平面上不同方位上的降溫曲線基本重合,說明300mm高度平面在降溫過程中的溫度均勻性也較好,因此將300mm高度以下的低溫區(qū)域設(shè)為細(xì)胞存儲區(qū)域,可以保證存儲區(qū)內(nèi)溫度均勻性良好,且降溫過程中位于同一存儲平面上的細(xì)胞降溫速率一致,凍存后細(xì)胞質(zhì)量相當(dāng);對于降溫速率的實(shí)驗(yàn)研究中,采用模擬送風(fēng)溫度方案后的實(shí)驗(yàn)值與模擬值基本吻合,表明實(shí)驗(yàn)降溫過程中通過控制送風(fēng)溫度,從而對降溫速率進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)降溫速率在5~40K/min范圍內(nèi)的可控性。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP212;R456
【部分圖文】：

第一章 緒論胞類型對降溫速率和存儲溫度進(jìn)行個(gè)性化操作，即使在低溫環(huán)境下也可保證較高的溫度精度，表 1-1 列出了目前市場上使用的一種程序降溫儀的技術(shù)參數(shù)，但程序降溫儀存在著人工操作帶來存取出錯(cuò)率以及破壞溫場均勻性等弊端；自動(dòng)化細(xì)胞存儲系統(tǒng)是目前最先進(jìn)最智能化的一種細(xì)胞凍存方案，如圖 1-3 所示，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上由下部的氣相液氮存儲罐及上部的自動(dòng)化機(jī)械部分組成，通過在細(xì)胞存儲系統(tǒng)中增加智能機(jī)械手，方便細(xì)胞存儲同時(shí)降低存取出錯(cuò)率，如圖 1-4 所示，然而機(jī)械手在細(xì)胞存儲的低溫環(huán)境下會產(chǎn)生機(jī)械故障[14-15]，因此為細(xì)胞存儲系統(tǒng)的溫場設(shè)計(jì)增添了難點(diǎn)。

第一章 緒論胞類型對降溫速率和存儲溫度進(jìn)行個(gè)性化操作，即使在低溫環(huán)境下也可保證較高的溫度精度，表 1-1 列出了目前市場上使用的一種程序降溫儀的技術(shù)參數(shù)，但程序降溫儀存在著人工操作帶來存取出錯(cuò)率以及破壞溫場均勻性等弊端；自動(dòng)化細(xì)胞存儲系統(tǒng)是目前最先進(jìn)最智能化的一種細(xì)胞凍存方案，如圖 1-3 所示，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上由下部的氣相液氮存儲罐及上部的自動(dòng)化機(jī)械部分組成，通過在細(xì)胞存儲系統(tǒng)中增加智能機(jī)械手，方便細(xì)胞存儲同時(shí)降低存取出錯(cuò)率，如圖 1-4 所示，然而機(jī)械手在細(xì)胞存儲的低溫環(huán)境下會產(chǎn)生機(jī)械故障[14-15]，因此為細(xì)胞存儲系統(tǒng)的溫場設(shè)計(jì)增添了難點(diǎn)。

圖 1-3 自動(dòng)化液氮存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖 1-4 細(xì)胞存儲箱內(nèi)機(jī)械手Fig.1-3 Structure of automatic liquid nitrogenstorage systemFig.1-4 Manipulator inside the cell storagebox1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展1.2.1 細(xì)胞冷凍存儲的研究進(jìn)展高質(zhì)量的細(xì)胞凍存可以保證解凍后的細(xì)胞活性，為后續(xù)臨床治療的有效開展奠定了基礎(chǔ)，是細(xì)胞治療技術(shù)得以應(yīng)用發(fā)展的前提。細(xì)胞的冷凍存儲主要分為冷凍和保存兩個(gè)階段，評價(jià)細(xì)胞凍存質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)是解凍后的細(xì)胞存活率，其與細(xì)胞冷凍存儲過程中凍存參數(shù)有關(guān)，國內(nèi)外針對細(xì)胞質(zhì)量影響因素開展了如下研究：（1）冷凍PT Tran 等人[16]通過對小鼠骨髓細(xì)胞凍存存活率的研究發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞冷凍過程中，影響細(xì)胞冷凍質(zhì)量的關(guān)鍵因素：一是冷凍速率，二是冷凍過程中的溫度均勻性。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

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2 席時(shí)桐，黃海;應(yīng)用K─ε湍流模型模擬空腔內(nèi)熱分層流動(dòng)[J];水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯);1994年03期

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

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本文編號：2827359