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.     

静电场作用下H2O偶极极化对冰晶形成过程的影响

采用去离子水为实验样品，在-30℃低温环境中冷冻，冷冻过程中施加不同强度的静电场干扰，研究静电场对去离子水冰核形成及冰晶生长过程的影响．研究发现，在冷冻过程初期静电场的引入可以诱发冰核形成，导致过冷点升高，但在随后液相到固相的相变过程中，静电场对冰晶生长具有抑制作用．分析认为，在静电场作用下电偶极矩沿电场方向分布的H2O具有最稳定的状态，能量的分布函数具有最大值，这些结果是诱发冰核形成、抑制冰晶生长的原因．     

第一类鱼抗冻蛋白分子对冰晶表面平衡结构的影响

根据冰晶生长理论,在一定的生长驱动力作用下,冰晶界面生长机制和动力学规律决定于冰晶界面的微观结构.从大分子溶液热力学性质出发,得到了结合抗冻蛋白后冰晶表面微观平衡结构的变化,并讨论了这种变化对冰晶生长形态的影响.结果显示抗冻蛋白造成冰晶表面微观平衡结构改变,是抗冻蛋白溶液中冰晶生长的形态与纯水中冰晶生长的形态有显著区别的原因之一.     

磁场影响水溶液冰晶的试验及装置

为寻找生物组织低温无损保存的新方法,研究了磁场对KMnO4溶液冰晶形成的影响.建立了不同形式的磁场发生装置,包括旋转磁场、方波叠加正弦波磁场、50kHz磁场.为保证样品降温过程慢速均匀,运用虚拟仪器技术建立了温度测控系统.使用低温显微系统对磁场影响下样品冰晶的形态进行了记录.结果表明,低频旋转磁场对生物溶液冰晶的形成产生了影响,尤其50kHz交变磁场对溶液中冰晶的生长具有较为显著的抑制作用,说明在易于产生的低冷冻速率下,交变磁场对生物组织的低温无损保存研究具有重要意义,适合实际应用.     

生物组织冻结相变过程的数值模拟

建立了生物组织(含正常生物组织和肿瘤)冻结过程的传热模型.生物组织作为一种多孔介质,其相变发生在一个温度范围内,且存在一个固相与液相共存的糊状过渡区.采用显热容法模拟了生物组织冻结过程中的传热和冰晶增长过程.模拟结果显示,在冻结过程中,冷刀的初始温度越低,冷刀的降温速率越快,生物组织内温度下降和冰晶增长的速率越快.结果还表明组织中液相流动会增加生物组织内传热和冰晶生长的速度.计算结果为冷刀设计和冷冻外科手术提供了理论依据.     

用低温取代法研究金鱼胚胎在低温下的超微结构图象

本文用低温取代法,研究了金鱼胚胎经两种不同的降温程序冷却到液氮温度后的超微结构图象。研究表明:若金鱼胚胎置入低浓度的抗冻剂溶液,慢速降温到-20℃后再快速浸入液氮,胚胎中有许多大的冰晶形成。这些大冰晶严重地破坏了金鱼胚胎的超微结构。而若将金鱼胚胎置入高浓度的玻璃化溶液中快速浸入液氮,胚胎外溶液可实现玻璃态固化。虽然胚胎内部仍有许多小的冰晶形成,但其体积比慢速降温时小得多,它们对胚胎细胞结构的影响也较小。     

脂质体悬浮液结晶对其冻干品质影响的研究

利用低温显微镜系统对含有不同浓度海藻糖的脂质体悬浮液,在不同的降温速率下的结晶现象进行显微研究,得出不同条件下的冰晶生长图像,并研究脂质体在不同的降温速率下的冻干过程,比较了不同降温速率下的冻干脂质体的外观和冻干脂质体复水后的囊泡粒径变化,结果表明,对于液体药品快速冻结后得到的冻干品质量优于慢速冻结。     

在低过冷度HPLC-6溶液中冰晶生长习性的研究

通过推广冰晶在纯水中的生长理论 ,结合冰晶的空间结构及 HPLC-6分子在冰晶表面的吸附模式 ,计算了在低过冷度条件下 ,冰晶在 HPLC-6溶液中沿 a轴和 c轴两个不同方向的生长速率 ,得到的结果与实验结果符合较好 .     

相场法模拟冰晶生长的参数优化

水溶液冻结过程生成的冰晶是低温保存中造成细胞损伤的主要原因.研究如何降低冰晶形成和生长过程对细胞伤害的方法,是低温生物研究的重要课题.本文采用国内外描述相变微观结构的相场模型,将体系视为水和溶质二元系统,研究了界面厚度尺度、各向异性强度和过冷度对结晶过程冰晶生长的影响.结果表明:界面厚度影响模拟结果,为了获得可靠的计算结果,界面厚度参数取值为3.00dx;各向异性系数大小对冰晶形貌有很大影响,取值越大,冰晶的二次分枝越发达,且尖端速度波动的幅值越大,各向异性系数取值范围0.010~0.025;过冷度明显影响冰晶的生长和形貌,过冷度大,冰晶生长速度加快,二次分枝发达,形貌变化较大,固相率也随之变大.参数优化结果为:界面厚度尺度等于3.00dx,各向异性系数等于0.023,过冷度等于20K的模拟结果与低温显微镜下观察到的冰晶生长形貌试验结果相吻合.     

过冷度影响海水结冰形状与速度的相场模拟

为了研究船舶结构结冰的微观机理,进行了模拟计算.基于Wheeler相场模型,使用有限差分法,对不同过冷度下海水凝固形状进行模拟.在模拟过程中,将海水视为盐和纯水的二元混合物,通过设置冰物理参数和引入晶核方式保证了冰晶生长的真实性.计算时,设置4个晶核模拟冰晶生长,讨论不同过冷度对冰晶生长的影响.结果表明:冰晶生长速度随过冷度增加而增加,且与过冷度变化呈线性关系.当无量纲过冷度小于0.85时,枝晶仅有少量分枝,且枝干较细.当无量纲过冷度大于0.85时,冰晶出现二级以上的多级分枝,且枝干明显变粗.当无量纲过冷度达到1.0时,分枝受到主枝挤压而减少,晶核之间最终被填满.     

超声辅助冷冻对湿面筋蛋白中可冻结水含量及冰晶粒度分布的影响

超声辅助食品冷冻过程是一种新的技术。本文通过对湿面筋蛋白中可冻结水含量及冰晶粒度分布的检测,研究超声辅助食品冷冻过程中冰结晶的热力学机制。用差示扫描量热仪测定了不同冷冻环境下湿面筋蛋白中可冻结水的含量,结果可见：超声辅助冷冻和液氮浸渍冷冻的湿面筋蛋白中可冻结水的含量比传统冷冻过程的高。用扫描电镜间接观察和分析了冷冻的湿面筋蛋白中冰晶的形状和粒度分布,表明适当的功率超声能加速湿面筋蛋白的冷冻过程;超声辅助和液氮浸渍冷冻的湿面筋蛋白中冰晶细小且分布均匀,可减少冷冻时对面筋蛋白网络结构的破坏。显示超声辅助冷冻是改善冷冻食品品质的实用技术。     

生物组织冻融特性的初步实验研究

以几种典型生物材料为对象，对生物组织冻融过程中的传递现象和界面特性进行可视化实验观测，着重考察冰晶生长及其界面的推进情况，应用微CT技术研究生物组织冻融前后内部结构变化，探讨不同生物材料和冷冻条件下冻融特性的差异．在实验观测的基础上，定性分析了生物组织中水分存在形态对冻融过程特性的影响．     

Ice growth in supercooled solutions of antifreeze glycoprotein

Inhibition of ice growth in supercooled solution by certain proteins is vital to the survival of many living organisms. Some fish, native to both subzero northern and southern waters, have special proteins or glycoproteins in their blood serum that inhibit ice formation. Whereas these proteins have only a very small effect on the melting temperature of ice, the temperature of these fish can fall to nearly 1 K below the melting point before ice crystals grow. This phenomenon is called freezing hysteresis, in contrast to the normal colligative effect of solutes that depresses the equilibrium temperature, around which small changes lead to crystal growth or melting depending on sign. Some insects also exhibit a serum freezing hysteresis. We report the effects of different degrees of supercooling on the habit and rates of growth of ice crystals from solutions of these antifreeze glycoproteins (AFGPs). We find that the crystallization rate is up to five times greater than that in pure water.     

Ionic colloidal crystals of oppositely charged particles

Colloidal suspensions are widely used to study processes such as melting, freezing and glass transitions. This is because they display the same phase behaviour as atoms or molecules, with the nano- to micrometre size of the colloidal particles making it possible to observe them directly in real space. Another attractive feature is that different types of colloidal interactions, such as long-range repulsive, short-range attractive, hard-sphere-like and dipolar, can be realized and give rise to equilibrium phases. However, spherically symmetric, long-range attractions (that is, ionic interactions) have so far always resulted in irreversible colloidal aggregation. Here we show that the electrostatic interaction between oppositely charged particles can be tuned such that large ionic colloidal crystals form readily, with our theory and simulations confirming the stability of these structures. We find that in contrast to atomic systems, the stoichiometry of our colloidal crystals is not dictated by charge neutrality; this allows us to obtain a remarkable diversity of new binary structures. An external electric field melts the crystals, confirming that the constituent particles are indeed oppositely charged. Colloidal model systems can thus be used to study the phase behaviour of ionic species. We also expect that our approach to controlling opposite-charge interactions will facilitate the production of binary crystals of micrometre-sized particles, which could find use as advanced materials for photonic applications.     

不连续分凝冰发育规律的研究

提出并推导土体在冻结过程中由于冻结速度和水分移速度的影响,造成不连续分凝冰有单薄冰层、双冰层和厚冰层３种发育模式,采用受控试验的反演分析验证了不连续分凝冰的发育模式,试验结果同时表明：在整个试验期间,分凝暖端的孔隙冰压力变化平稳;当单薄冰层和双冰层发育时,冰分凝温度和孔隙水压力波动较大,尤其是在双冰层生长时,冻结缘发育最充分,分凝暖端的温度和孔隙水压力降低幅度最大;在厚冰层形成后,由于冻结锋面推移     

水下排放低温液体冻结问题数值分析

研究低温液体水下直接排放的传热问题,根据传热学的基本理论对传热过程进行分析与简化,分析此传热过程的特性,建立近管口水域结冰过程中温度场模型．利用此模型可计算不同的排放速度、管径等条件下的冰层生长速度,估算不同排放条件下冰层的生长状况．模型的计算结果可对进一步研究低温液体的水下顺利排放和管口除冰装置设计提供参考．     

电容近炸引信的物理场特性分析

电容近炸引信是利用振荡器在探测电极周围建立一个静电场进行工作的。本文将电容近炸引信简化等效为静态电偶极子,求解出其周围空间中距离偶极子为r处的场强。为了和其它原理的近炸引信的物理场特性进行比较,求解出时变场中电偶极子麦克斯韦方程的解。通过分析确认:利用静电场工作的电容近炸引信较之利用辐射场工作的其它近炸引信具有良好的定距特性、炸高散布小并具有反隐身技术的性能。     

细胞及玻璃化冷冻保护剂显微实验研究

利用低温冷冻显微实验平台,测定了DMSO和甘油两种保护剂的凝固点和玻璃化条件.采用4种不同的冷冻方案对SD大鼠的成骨细胞进行了低温冷冻保存研究.实验结果表明冷冻保护剂的凝固点温度随保护剂浓度和降温速率变化而变化,玻璃化的产生需要很高的保护剂浓度或很快的降温速率.保护剂的性能、冷冻和解冻程序及冻存时间是影响冷冻细胞比活的关键因素.所得结论对研究不同的细胞系、不同尺度组织的最佳低温冷冻保存方案具有指导意义.     

静态直流电场作用下神经元放电动力学分析

无创式直流电刺激中枢神经系统是现在用来减轻多种神经疾病症状的有效方法.为了探究静态直流电场对神经活动的作用机制,利用二维最小模型研究了其在静态直流电场作用下的动力学行为.通过分岔和相平面分析,发现3类神经元兴奋性对相同刺激的不同响应是由不同的峰放电起始动力过程造成的.从起始动力学的角度得到了静态直流电场对神经活动的影响,研究结果可以为无创式直流脑调制技术的应用和发展提供一定的理论指导.     

Ice-free cryopreservation of mouse embryos at -196 degrees C by vitrification

The failure of complex mammalian organs, such as the kidney, to function following freezing to low temperatures is thought to be due largely to mechanical disruption of the intercellular architecture by the formation of extracellular ice. Classical approaches to the avoidance of ice formation through the imposition of ultra-rapid cooling and warming rates or by gradual depression of the equilibrium freezing point during cooling to -80 degrees C have not been adequate. An alternative approach relies on the ability of highly concentrated aqueous solutions of cryoprotective agents to supercool to very low temperatures. At sufficiently low temperatures, these solutions become so viscous that they solidify without the formation of ice, a process termed vitrification. When embryo suspensions are cryopreserved using conventional procedures, this supercooling behaviour allows intracellular vitrification, even in the presence of extracellular ice. We have therefore used mouse embryos to examine the feasibility of obtaining high survival following vitrification of both the intra- and extracellular solutions and report here that in properly controlled conditions embryos seem to survive in high proportions after cryopreservation in the absence of ice.