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细胞低温保存跨膜传质机理及保护剂溶液冻结特性研究

作　者: 翁林岽
导　师: 李维仲
学　校: 大连理工大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 低温保存低温保护剂跨膜传质未冻水分子动力学模拟
分类号: R318.52
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

低温生物学是热科学、工程学和生物学与医学之间的边缘交叉学科。低温保存技术和低温医疗技术是低温生物学的两个最重要的应用。其中,低温保存技术对于胚胎干细胞、血液和珍稀动植物种质资源的长期保存及人体器官移植等均具有重要意义。制约低温保存效果的最关键因素是冷冻保存对生物材料产生的低温损伤,如冰晶损伤和溶质损伤等。使用低温保护剂能够有效抑制低温损伤,从而大幅提高生物材料的冻存后复活率。因此,典型的程序化慢速冷冻保存过程包括低温保护剂导入、程序化降温、液氮温度下长期保存、复温和保护剂洗脱五个环节。在每一个环节中,生物细胞和组织均会发生复杂的物理、化学和生物反应,这些反应是由细胞内外温度、压力、溶液组成、蛋白质活性及新陈代谢率的变化引起的。所以,预测上述物化参数的变化,分析低温损伤机理,探索提高冻存后复活率的有效方法,对于低温生物学的发展和应用具有深远意义,也是低温工程领域的研究人员面临的重要课题。本文应用物理化学、热力学和传质学理论研究了程序化慢速冷冻保存细胞过程中的跨膜传质情况,应用差示扫描量热技术和分子动力学模拟手段分别对醇和二甲基亚砜水溶液的冻结特性进行了量热分析和分子机理探究。首先,本文以保护剂溶液相图为基础数据建立了适用于非理想溶液的细胞脱水模型。该模型的预测结果表明,传统的理想溶液脱水模型低估了冷冻过程中细胞的胞内水量。而后,本文从Gibbs自由能理论出发建立了计算冷冻和复温过程中水和保护剂跨膜传递量的热力学模型,该模型针对真实溶液环境建立,避免了传统模型对细胞膜的理想半透膜假设。本文应用该模型预测了ICR小鼠精子细胞和人角膜基质细胞在冷冻过程中的体积变化。另外,本文利用差示扫描量热仪测定了甲醇／氯化钠／水和1,2-丙二醇／氯化钠／水三元体系的相图,不仅进一步扩展了新模型的适用范围,而且证明了在有限浓度范围内利用甲醇／水、1,2-丙二醇／水和氯化钠／水体系的二元相图合成相应三元相图的可行性。本文利用差示扫描量热仪测定了冻结醇和二甲基亚砜溶液的未冻水量,建立了保护剂溶液中冰的融化潜热与溶液初始浓度的定量关系。量热分析结果表明,随着溶液初始浓度的增大,冻结溶液中未冻水量增多。针对宏观实验结果,本文还利用分子动力学模拟手段统计计算了乙二醇、甘油和二甲基亚砜溶液的氢键特性和水的自扩散系数,发现未冻水量与保护剂-水氢键的比例存在显著的正相关关系,从而证明保护剂分子与水分子间氢键是冻结溶液中存在未冻水的直接原因。本文的研究结果能够更准确地预测冷冻保存过程中细胞的生物物理反应,计算胞内水和保护剂含量的变化；扩展了低温保护剂溶液的热力学数据；从宏观和微观层次上解释了醇和二甲基亚砜的低温保护机理,为确定合理的低温保存方案提供依据。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 绪论  12-29
  1.1 选题的科学依据及意义  12-17
  1.2 研究进展  17-25
    1.2.1 低温生物学的早期发展  17
    1.2.2 现代低温生物学的发展  17-18
    1.2.3 热力学模型的发展  18-21
    1.2.4 低温显微镜和热分析的低温生物学应用  21-24
    1.2.5 分子动力学模拟的低温生物学应用  24-25
  1.3 当前研究的不足  25-27
  1.4 本文的研究内容  27-29
2 细胞脱水的非理想溶液模型  29-45
  2.1 细胞脱水模型概述  29
  2.2 非理想溶液模型的建立  29-34
    2.2.1 动态降复温过程的模型建立  29-31
    2.2.2 平衡降复温过程的模型建立  31
    2.2.3 细胞内外溶液浓度的确定  31-32
    2.2.4 渗透系数的确定  32-33
    2.2.5 理想条件下模型的简化  33-34
  2.3 结果与讨论  34-44
    2.3.1 理想溶液与非理想溶液模型的比较  34-42
    2.3.2 非理想模型预测胞内溶液过冷度  42-44
  2.4 本章小结  44-45
    2.4.1 主要内容小结  44
    2.4.2 本章主要贡献  44-45
3 甲醇、1,2-丙二醇/NaCl/水三元体系相图测定及应用  45-64
  3.1 保护剂溶液相图概述  45
  3.2 热分析  45-52
    3.2.1 概述  45-46
    3.2.2 差热分析  46-47
    3.2.3 差示扫描量热仪  47-52
  3.3 三元相图的测定  52-57
    3.3.1 实验材料  52
    3.3.2 实验方法  52
    3.3.3 实验结果  52-57
  3.4 三元相图的合成  57-62
    3.4.1 基本理论  57-58
    3.4.2 相图合成步骤与结果  58-62
  3.5 本章小结  62-64
    3.5.1 主要内容小结  62-63
    3.5.2 本章主要贡献  63-64
4 低温保存过程保护剂与水耦合跨膜传递模型  64-90
  4.1 跨膜传质模型概述  64-68
    4.1.1 等温模型  65-66
    4.1.2 非等温模型  66-67
    4.1.3 非理想和非稀溶液模型  67-68
  4.2 保护剂-水耦合跨膜传递模型的建立  68-74
    4.2.1 理想稀溶液保护剂-水耦合传递模型  68-71
    4.2.2 真实溶液保护剂-水耦合传递模型  71-74
  4.3 结果与讨论  74-88
    4.3.1 理想条件下模型的统一  74-76
    4.3.2 保护剂跨膜传递的影响  76-82
    4.3.3 非等温两参数模型的低温生物学应用  82-88
  4.4 本章小结  88-90
    4.4.1 主要内容小结  88-89
    4.4.2 本章主要贡献  89-90
5 醇和DMSO保护剂溶液冻结特性量热分析  90-111
  5.1 低温保护剂概述  90-92
  5.2 DSC实验方法  92-98
    5.2.1 试剂与仪器  92
    5.2.2 数据分析  92-98
  5.3 结果与讨论  98-110
    5.3.1 溶液熔点T_m  98-101
    5.3.2 溶液质量渗摩尔浓度π  101-103
    5.3.3 溶液冻结特性  103-110
  5.4 本章小结  110-111
    5.4.1 主要内容小结  110
    5.4.2 本章主要贡献  110-111
6 醇和DMSO溶液冻结特性分子动力学模拟  111-140
  6.1 量子力学和非量子力学计算机模拟  111-116
    6.1.1 量子力学计算  111-112
    6.1.2 非量子力学计算  112
    6.1.3 分子动力学模拟  112-116
  6.2 溶液分子动力学模拟细节  116-118
  6.3 水自扩散系数D  118-120
  6.4 氢键  120-125
    6.4.1 什么是氢键?  120-121
    6.4.2 氢键准则  121-125
  6.5 结果与讨论  125-138
    6.5.1 DMSO溶液水自扩散系数分析  125-126
    6.5.2 DMSO溶液氢键特性分析  126-130
    6.5.3 醇溶液氢键特性分析  130-138
  6.6 本章小结  138-140
    6.6.1 主要内容小结  138-139
    6.6.2 本章主要贡献  139-140
7 总结及展望  140-142
  7.1 总结  140-141
  7.2 展望  141
  7.3 创新点  141-142
参考文献  142-159
附录A 本文中主要物理量的单位及量纲  159-160
附录B DMSO分子力场  160-162
附录C 乙二醇和甘油分子力场  162-164
附录D TIP3P水分子力场  164-165
攻读博士学位期间发表学术论文情况  165-167
致谢  167-168
作者简介  168-169

细胞低温保存跨膜传质机理及保护剂溶液冻结特性研究

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