【摘要】：低溫生物學(xué)是熱科學(xué)、工程學(xué)和生物學(xué)與醫(yī)學(xué)之間的邊緣交叉學(xué)科。低溫保存技術(shù)和低溫醫(yī)療技術(shù)是低溫生物學(xué)的兩個(gè)最重要的應(yīng)用。其中,低溫保存技術(shù)對(duì)于胚胎干細(xì)胞、血液和珍稀動(dòng)植物種質(zhì)資源的長(zhǎng)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(duì)生物材料產(chǎn)生的低溫?fù)p傷,如冰晶損傷和溶質(zhì)損傷等。使用低溫保護(hù)劑能夠有效抑制低溫?fù)p傷,從而大幅提高生物材料的凍存后復(fù)活率。因此,典型的程序化慢速冷凍保存過(guò)程包括低溫保護(hù)劑導(dǎo)入、程序化降溫、液氮溫度下長(zhǎng)期保存、復(fù)溫和保護(hù)劑洗脫五個(gè)環(huán)節(jié)。在每一個(gè)環(huán)節(jié)中,生物細(xì)胞和組織均會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物反應(yīng),這些反應(yīng)是由細(xì)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(yù)測(cè)上述物化參數(shù)的變化,分析低溫?fù)p傷機(jī)理,探索提高凍存后復(fù)活率的有效方法,對(duì)于低溫生物學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用具有深遠(yuǎn)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(yīng)用物理化學(xué)、熱力學(xué)和傳質(zhì)學(xué)理論研究了程序化慢速冷凍保存細(xì)胞過(guò)程中的跨膜傳質(zhì)情況,應(yīng)用差示掃描量熱技術(shù)和分子動(dòng)力學(xué)模擬手段分別對(duì)醇和二甲基亞砜水溶液的凍結(jié)特性進(jìn)行了量熱分析和分子機(jī)理探究。首先,本文以保護(hù)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(xì)胞脫水模型。該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果表明,傳統(tǒng)的理想溶液脫水模型低估了冷凍過(guò)程中細(xì)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(jì)算冷凍和復(fù)溫過(guò)程中水和保護(hù)劑跨膜傳遞量的熱力學(xué)模型,該模型針對(duì)真實(shí)溶液環(huán)境建立,避免了傳統(tǒng)模型對(duì)細(xì)胞膜的理想半透膜假設(shè)。本文應(yīng)用該模型預(yù)測(cè)了ICR小鼠精子細(xì)胞和人角膜基質(zhì)細(xì)胞在冷凍過(guò)程中的體積變化。另外,本文利用差示掃描量熱儀測(cè)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(jìn)一步擴(kuò)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(yīng)三元相圖的可行性。 本文利用差示掃描量熱儀測(cè)定了凍結(jié)醇和二甲基亞砜溶液的未凍水量,建立了保護(hù)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(duì)宏觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本文還利用分子動(dòng)力學(xué)模擬手段統(tǒng)計(jì)計(jì)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(kuò)散系數(shù),發(fā)現(xiàn)未凍水量與保護(hù)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(hù)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(zhǔn)確地預(yù)測(cè)冷凍保存過(guò)程中細(xì)胞的生物物理反應(yīng),計(jì)算胞內(nèi)水和保護(hù)劑含量的變化；擴(kuò)展了低溫保護(hù)劑溶液的熱力學(xué)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(hù)機(jī)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(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：R318.52

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