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细胞低温冻存传质学模型

作　者: 李巍
导　师: 张爱丽
学　校: 上海交通大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 细胞低温保存传质学二维轴对称动网格组分扩散 Fluent
分类号: R318.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

细胞的低温保存在生物医学领域中有重要的研究和实用意义。从胚胎干细胞的保存到一部分细胞的温度代谢机制研究都需要依赖低温保存过程。随着现代生物医学的发展,无论是科学研究还是医学实践对于细胞保存都提出了更高的要求。对于珍贵而数量稀少的细胞(如卵母细胞)以往基于实验和统计的低温保存手段的存活率和已经不可接受。针对低温保存细胞的模型不得不更深入的发掘细胞低温保存中的物理化学机制,以期达到更好的保存效果。因此更完善的细胞低温保存的传质学模型不仅可以帮助对现有细胞低温保存进行工程学优化,其阶段性成果也可以辅助细胞低温生理或物理学研究。就目前低温细胞保存领域的发展来看,已知的类似的模型大部分是零维均一模型,未能考虑细胞内部的不均一性和细胞的体积形态效应。仅有的几个的一维和二维模型往往把细胞看做各项同质的连续体,既没有对自由水分丰富细胞核的影响进行讨论,也缺少对细胞膜和细胞质内自由水分比例的分析考虑。二十世界八十年代之后,计算机技术和数值计算技术飞速发展,新的流体力学组分传输计算方法,多元互扩散模型,动边界方法,多孔介质物理流速模型不断涌现。通过把这些新的数值模拟技术移植到低温生物学领域,本文创建了一个全新的“带细胞核二维轴对称动边界细胞传质模型”,用于模拟细胞在低温保存中的形态变化和组分传质过程。该模型基于流体力计算软件Fluent和并行运行的C程序,模拟了细胞在低温脱水中的复杂组分运输过程。其中Fluent的物理流速多孔介质模型和多元微扩散模块成功的模拟了复杂多孔介质结构中的组分扩散。而并行的C程序准确的控制了控制体边界的形变,同时预测了冰晶生长的趋势。依赖它们的同步运作,该模型实现了对细胞内不均一的扩散系数,粘性系数孔隙率的模拟,实现了控制体边界,冰晶生长,扩散系数,粘性系数与局部组分浓度之间的耦合,计算得出了细胞结构对组分细胞冷冻中传质的影响。运用该模型,本文对不同保护液浓度和不同降温速率的细胞冷冻保存过程进行了模拟。得出了水分,盐分和保护液浓度的非稳态过程空间时间分布图。本文又发展出了冰晶生长的自动机模型,作为一个模组耦合到传质学模型中。合理的预测和解释了胞内冰晶从细胞膜到细胞核再扩散到整个细胞的生长过程。该模型本身对于低温保存中细胞传质模拟具有创新意义。该模型得出的结果对于细胞低温保存学的理论研究和工程实践也有很好的参考价值。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-19
  1.1 引言  9
  1.2 细胞低温冻存的生物学研究背景  9-16
    1.2.1 细胞低温冻存的意义  9-10
    1.2.2 细胞低温冻存和冻存伤害的生物医学背景  10-13
    1.2.3 细胞低温冻存过程中数学建模的发展  13-16
  1.3 模型研究现状与展望  16-17
  1.4 论文的主要研究内容  17-19
第二章低温细胞传质学的理论模型  19-37
  2.1 引言  19-20
  2.2 模型概化假设  20-34
    2.2.1 细胞的整体假设  21-22
    2.2.2 细胞外环境的假设  22-24
    2.2.3 细胞膜的假设和边界条件  24-25
    2.2.4 细胞质的概化假设和组分传质方程  25-29
    2.2.5 细胞核膜的概化假设和通透性模型  29-30
    2.2.6 细胞核的假设和传质方程  30-31
    2.2.7 细胞中的有限扩散冰晶生长模型  31-34
  2.3 部分参数与设定  34-36
    2.3.1 基于细胞结构的设定  34-35
    2.3.2 部分参数列表  35-36
  2.4 本章小结  36-37
第三章模型计算方法和模拟技术  37-57
  3.1 引言  37
  3.2 模型在FLUENT 中应用到的计算方法  37-49
    3.2.1 Fluent 的设定和模组选择  37-38
    3.2.2 Fluent 中的拓扑结构  38
    3.2.3 离散方法概述  38-40
    3.2.4 压力求解器的离散方法  40-42
    3.2.5 对扩散问题的处理  42-43
    3.2.6 对动边界的处理  43-49
  3.3 C 程序的设计框架  49-56
    3.3.1 嵌入C 的设计  49-50
    3.3.2 C 程序中与Fluent 的接口  50-54
    3.3.3 C 程序中出现的微分方程的离散方法  54-55
    3.3.4 嵌入C 程序的构架  55
    3.3.5 主要程序模组  55-56
  3.4 本章小结  56-57
第四章结果与讨论  57-71
  4.1 细胞传质模型的预测与结果  57-70
    4.1.1 细胞在低浓度保护剂下模拟结果  57-61
    4.1.2 细胞在高浓度保护剂下模拟结果  61-64
    4.1.3 细胞在不同降温速率下的对照比较  64-67
    4.1.4 细胞在不同起始浓度保护剂浓度下的对照比较  67-69
    4.1.5 与其它模型的对照比较  69-70
  4.2 本章小节  70-71
第五章各向异性冰晶空间生长模型与预测结果  71-81
  5.1 引言  71-72
  5.2 冰晶生长自动机模型  72-74
  5.3 冰晶生长自动机模型的计算结果  74-78
  5.4 本章小节  78-81
参考文献  81-83
致谢  83-84
攻读硕士学位期间已发表或待发表的有关论文  84-86

细胞低温冻存传质学模型

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