.

Моделювання термодинамічних процесів заморожування та обезводнення біологічних об’єктів: Автореф. дис… канд. техн. наук / Х.А. Муссауі, Одес. держ.

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 2656
Скачать документ

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ХОЛОДУ

Муссауі Хуссейн Алі

УДК 621.560+57:536.48

МОДЕЛЮВАННЯ ТЕРМОДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
ЗАМОРОЖУВАННЯ ТА ОБЕЗВОДНЕННЯ БІОЛОГІЧНИХ
ОБ’ЄКТІВ

Спеціальність: 05.04.03- Холодильна та кріогенна техніка,
системи кондиціювання

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Одеса – 1999 р.
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти України

Науковий керівник Доктор технічних наук, професор Мазур Віктор Олександрович – Одеська державна академія холоду, завідувач кафедрою термодинаміки, проректор з наукової роботи.
Офіційні опоненти :

Провідна установа Доктор технічних наук, професор Наєр В’ячеслав Андрійович – Одеська державна академія холоду, завідувач кафедрою кріогенної техніки, лауреат Державної премії України;
Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
Мостицький Андрій Васильович – НПО “Дніпро – МТО”, м. Київ, генеральний директор.

Одеська державна академія харчових технологій ім. М.В. Ломоносова Міністерства освіти України.

Захист відбудеться “ 29 ” вересня 1999 г. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.087.01 при Одеській державній академії холоду (ОДАХ) за адресою: 270026, м. Одеса, вул. Дворянська, 1/3

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ОДАХ за адресою:
м. Одеса, вул. Дворянська, 1/3

Автореферат розісланий 28 серпня 1999 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Нікульшин Р.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Процеси заморожування та збезводнення біологічних матеріалів привертають увагу багатьох дослідників у галузі кріогенної техніки, кріомедицини та кріобіології. Термодинамічні процеси, де відбувається заморожування та збезводнення клітинних обєктів, широко використовуються і для зберігання (наприклад, еритроцитів або клітин рогівки ока), і деструкції ( кріохірургічні операції) біологічних обєктів. Кріоконсервування є основним методом, що дозволяє зберігати життєздатні біологічні матеріали для медичних та інших цілей протягом тривалого часу. Для сучасних методів лікування, наприклад гемопоетичними ембріональними клітинами (ГЕК), кріоконсервування є незамінним, оскільки перед використанням як лікувального препарату клітини і тканини мають проходити тривале ( до кількох місяців ) тестування для виявлення бактерій та вірусів. Роботи цього напрямку, що проводяться протягом останніх десятиріч на Україні, привели до значних успіхів на світовому рівні.
Проблеми, що виникають на шляху широкого застосування низькотемпературних методів, зумовлені також різноманітністю типів клітин, які піддають кріоконсервуванню, та браком загальної теорії, що дозволяє розвязати проблеми вибору оптимального режиму заморожування та оптимальної концентрації кріопротектора. Для розвязання задач інтенсифікації таких процесів, для розробки нових установок і технологій необхідна вірогідна та докладна інформація про термодинамічну і фазову поведінку клітинних речовин, тобто про можливі в системі фазові переходи та послідовності їх здійснення.
Найбільш надійний спосіб одержання даних – експериментальний, що повязаний з великими витратами матеріальних і трудових ресурсів. Внаслідок цього у багатьох випадках краще моделювати властивості клітинних обєктів і процеси в них. Цей метод дозволяє поширити результати, що є, на інші умови чи обєкти з достатнім ступенем вірогідності при відносно невеликих витратах. Таким чином, розробка основ моделювання термодинамічних процесів заморожування і збезводнення біологічних обєктів є актуальною науково-технічною задачею. Актуальність теми дослідження визначається її безпосереднім звязком з проблемами і потребами, що спричинюються до науково-технічного прогресу на сучасному етапі.
Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до програми фундаментальних та прикладних наукових досліджень Міністерства освіти України (держбюджетні теми: МК 97/1. “Розробка методологічних основ створення медико-біологічного обладнання для консервації”- № держ. реєстр. 0197V010041; МК 97/15. “Дослідження фазових діаграм рідинних розчинів та методи пошуку рідин з наперед заданими термодинамічними властивостями” -№ держ. реєстр. 0197V010051).
Мета і задачі дослідження. Головна мета дисертації полягала в розробці теоретичних основ моделювання процесів кріоконсервування та кріодеструкції на мікро- і макрорівнях ( від окремого клітинного обєкта до органів чи їх частин) та використанні розроблених моделей до розвязання прямих і зворотних задач взаємодії кріозонда з біологічним обєктом.
Для досягнення поставленої мети сформульовано та розвязано такі основні задачі:
• аналіз типів і створення узагальненої моделі фазової поведінки клітинних колоїдних систем;
• термодинамічне моделювання процесів заморожування та водообміну біологічних обєктів з навколишнім середовищем при локальних кріодіях;
• створення фрактальної моделі розповсюдження температурних полів у макроскопічних біологічних обєктах, що відображає анізотропний характер реальних клітинних структур;
• розвиток методів оптимального керування параметрами зовнішньої дії ( наприклад, температурою, складом, рН, осмотичним тиском ) для підвищення ефективності процесів заморожування біологічних обєктів.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше проведено моделювання термодинамічних процесів заморожування та збезводнення біологічних обєктів на мікро- та макрорівнях з урахуванням фазової поведінки внутрішньоклітинного розчину на підставі кінетичної моделі і глобальних фазових діаграм; вперше проведено моделювання процесів заморожування біологічних обєктів як фрактальних процесів у суттєво неоднорідних середовищах.
Наукові положення, що викладені в дисертації, формулюються так:
1. Коректний перехід від повних фазових діаграм внутрішньоклітинних розчинів і колоїдів до глобальної фазової діаграми модельної суміші дозволяє істотно спростити задачу моделювання процесу кріогенного заморожування біологічних обєктів і, як наслідок, дозволяє ефективно керувати цим процесом;
2. Процес поширення температурних полів при кріодіях на макроскопічні (багатоклітинні) біологічні обєкти носить фрактальний характер, урахування якого відбиває індивідуальність біологічних обєктів і приводить до більш коректного опису таких процесів порівняно з традиційними методами.
Достовірність наукових положень і результатів підтверджується коректністю проведених математичних викладок, порівнянням з результатами попередніх праць, опублікованими в літературі, взаємною узгодженістю і несуперечливістю, підтвердженими чіткою узгодженістю розрахункових та експериментальних даних.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблені в дисертації моделі й методи значно розширюють клас біологічних обєктів, для яких можливий опис процесів кріогенного заморожування та збезводнення. На підставі запропонованих методів розроблено програмне забезпечення для розрахунку фазових рівноваг, моделювання температурних полів у фрактальних середовищах. Результати роботи мають фундаментальний інтерес для інженерів і дослідників, що працюють у галузі кріогенної техніки та її застосування у кріобіології і кріомедицині.
Особистий внесок здобувача в роботи, що написані у співавторстві, такий. Особисто дисертантом виконано адаптацію необхідних прикладних програмних засобів, основну частину розрахунків, порівняння з наявними експериментальними і модельними літературними даними, формулювання наукових положень і висновків. Окремі етапи роботи проводилися з іншими науковими робітниками.
Апробація роботи. Основні положення і результати дисертації викладено на таких наукових конференціях: “Застосування обчислювальної техніки і математичного моделювання у прикладних наукових дослідженнях”, ОДПУ. Одеса 1995 – доповідь “Кинетика процессов структурных изменений в биологических объектах ”; “Теорія і практика вузівської науки”, ОДАХ, Одеса, 1995 – доповідь “Моделирование процессов воздействия холода на биологические ткани”.
Публікації. Автор опублікував 3 статті ( 1 без співавторів) за темою дисертації в наукових журналах з переліку, затвердженого ВАК України. Список таких робіт уміщено в кінці автореферату. Тези 2-х доповідей на конференціях також опубліковані.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох глав, висновків, списку використаної літератури і містить 129 сторінок, 40 рисунків, 2 таблиці. Список використаних джерел включає 104 найменування.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано цілі і задачі роботи, викладено наукові положення і результати, що винесені до захисту, наведено дані про наукову новизну, практичну цінність, апробацію роботи, визначено особистий внесок автора дисертації.
У першому розділі розглянуто питання щодо моделювання фазової поведінки клітинних колоїдних систем. Розглянуті сучасні уявлення про структури і склад клітини та внутрішньоклітинного флюїду. Проведено аналіз повної фазової діаграми модельного дисперсійного середовища клітинних колоїдів. Показано її звязок з іншими типами повних фазових діаграм подвійних і потрійних систем. Розглянуто типи фазової поведінки флюїдів, що належать до класу речовин, які становлять внутрішньоклітинні суміші.. Викладено метод глобальних фазових діаграм, використовуваний для класифікації фазових діаграм флюїдних сумішей та для пошуку речовин з наперед заданими властивостями. Продемонстрована термодинамічна аналогія з точки зору генезису евтектичних та гетероазеотропних рівноваг у бінарних сумішах. Обміркована аналогія між поведінкою критичних ліній рівноваги рідина-рідина при високих тисках та ліній твердіння. Сформульовано принципи переходу від повних фазових діаграм до глобальної фазової діаграми модельної системи з точки зору управління фазовою поведінкою. Показано, що основна частина дисперсійних середовищ клітинних колоїдів може бути зарахована до простого типу фазової поведінки, який спостерігається в системах з одним летким і двома нелеткими компонентами без розшаровування в рідкій фазі. Це дозволяє обґрунтувати перехід до моделювання таких систем у локальному діапазоні термодинамічних параметрів на основі квазібінарного підходу. З другого боку, знання основних особливостей фазової поведінки дає можливість сформулювати критерії для пошуку підхожих кріопротекторів, здатних змінити фазову поведінку системи у заданому напрямку. Розглянуто також тригерні механізми утворення нових фаз у процесах заморожування, вплив густини розчину, зміни концентрації солі й добавок на ці механізми.
Склад модельної колоїдної системи характеризується вмістом у середньому (%): води – 75-85, білка – 10-20, ліпідів – 2-3, неорганічних речовин – 1. Для деяких типів клітин частка води, що утворює внутрішньоклітинний розчин і здатна брати участь у переносі, може бути значно менша, наприклад, для еритроцитів вона складає 63,15%, бо 11,6% відсотка внутрішньоклітинної води в еритроцитах перебуває у звязаному стані з гемоглобіном. Відповідно, у подібних випадках концентрація розчинених солей може бути вища порівняно з указаною раніше величиною. Внаслідок цього основні фазові явища при охолодженні та заморожуванні біологічних мікрообєктів безпосередньо, і в першу чергу, повязані з фазовою поведінкою дисперсійного середовища, тобто характерних для живих систем водно-сольових розчинів. Поведінка цих водно-сольових розчинів може відрізнятися від звичайної через наявність у колоїдній системі розчинених органічних речовин. Ця сама властивість може бути використана для керування фазовою поведінкою клітинних колоїдів додаванням тих чи інших речовин у систему. В цілому, знання термодинамічних параметрів фазової поведінки клітинного середовища є принциповим і для застосування кінетичних моделей, що описують процеси збезводнення клітини при заморожуванні і процеси кристалізації всередині клітини.
Глобальні фазові діаграми відображають ділянки існування різних типів фазової поведінки у просторі параметрів взаємодії компонентів термодинамічної системи. Одержавши глобальну фазову діаграму, можна передбачати основні особливості фазової поведінки даної конкретної системи або підібрати за потрібними параметрами міжмолекулярної взаємодії компонент системи, який забезпечить наперед задану фазову поведінку.
В застосуванні до проблем заморожування біологічних обєктів підхід з використанням глобальних фазових діаграм дозволяє обґрунтувати методи розрахунку термодинамічних параметрів фазової поведінки поза- та внутрішньоклітинних розчинів, необхідних для вживання кінетичних моделей. Зокрема, фазова поведінка водно-сольових систем у діапазоні концентрацій, спостережувана у живих системах, може бути описана в рамках концепції квазібінарних розчинів, тобто заміною в термодинамічному розгляді води і солі на ефективну речовину з певними параметрами критичної точки та молекулярною вагою, що залежить від концентрації розчиненої солі. Це дозволяє спростити використовуваний формалізм та зосередитися на впливі органічних чи інших добавок на фазову поведінку внутрішньоклітинного розчину, що безпосередньо наближає можливість пошуку оптимального кріопротектора і, таким чином, розвязання задачі оптимального управління процесом заморожування біологічних обєктів.
Перехід до квазібінарного моделювання базується на тому факті, що більшість систем типу H2O+NaCl+Х (де Х – це кріопротектор або інша добавка, що використовується для керування фазовою поведінкою) належить до типу потрійних систем. Такі системи належать у сучасній класифікації до систем з одним летким і двома нелеткими компонентами ( В.М. Валяшко, 1990). Як леткий компонент внутрішньоклітинного середовища виступає вода. Сіль є нелетким компонентом. Другим нелетким компонентом може бути кріопротектор ( гліцерин, диметилсульфоксид та ін.) або інша сіль, наприклад КС1. Як випливає з аналізу топології фазової діаграми систем даного типу, системи мають лінію потрійної евтектики, що розташована при нижчих температурах, ніж евтектика бінарної системи вода-сіль, а керуюча добавка не змінює вихідного типу фазової поведінки системи вода-сіль. Таким чином, дія внутрішньоклітинного кріопротектора полягає у зміщенні нижньої точки замерзання розчину в бік нижчих температур.
У другому розділі розглянуто методи термодинамічного моделювання процесів заморожування та збезводнення біологічних обєктів на клітинному рівні. В основі запропонованого підходу лежать моделі фазової поведінки клітинних колоїдів, що розглянуті в попередній главі. Проведено аналіз основних типів біологічних мікрообєктів, розглянуто їх класифікацію за типом межі розділу, складу та концентрації внутрішньоклітинних органел, за кінетикою протікання процесів заморожування. Викладено головні принципи, що лежать в основі моделі Мазура ( P. Mazur, 1963), розглянуто її сучасні модифікації. На підставі цієї моделі з урахуванням моделей фазової поведінки проведено моделювання порога льодоутворення та діаграм стану внутрішньоклітинного флюїду залежно від темпу охолодження, наявності кріопротектора або інших добавок для основних типів біообєктів на клітинному рівні.
Аналіз процесу заморожування та збезводнення живих клітин або інших біологічних обєктів оснований на моделі, яку вперше запропонував Мазур (P. Mazur, 1963) і яку потім було модернізовано у наступних дослідженнях (O.M.Silvares et al.,1975; G.R.Ling, C.L.Tien, 1970). Розглядувана в моделі система складається з клітини та її безпосереднього оточення. Причина втрати води клітиною при заморожуванні полягає в тому, що в результаті відводу тепла з оточуючого клітину середовища порушується термодинамічна рівновага, і вода під дією різниці хімічних потенціалів поза та всередині клітини витікає з внутрішньоклітинного простору. У більшості випадків картина термодинамічної рівноваги значно ускладнюється наявністю розчинених у воді солей та інших речовин, які при певному ступені концентрації внаслідок збезводнення клітини можуть призводити до необоротних хімічних змін у клітині та втраті її життєздатності.
Указаний фактор дозволяє пояснити характерну U -подібну залежність частки загиблих при заморожуванні клітин від швидкості охолодження. Наявність такої залежності свідчить про існування оптимальної швидкості охолодження, коли при інших однакових умовах загине найменша кількість клітин. Очевидно, що великі швидкості охолодження призводять до бистрого переохолодження внутрішньоклітинного простору. Наслідком цього є кристалізація цитоплазми та пошкодження кристалами льоду клітинних структур (“внутрішньоклітинне замерзання”). З другого боку, при охолодженні зі швидкостями, нижчими за оптимальну, внутрішньоклітинна вода кристалізується поза клітиною, що призводить до підвищення концентрації розчинених речовин до летального рівня (“концентраційні ефекти”). Керування таким процесом можна здійснювати за допомогою методів оптимального управління фазовими рівновагами, що описані в попередній та наступних главах. У даній роботі розглянуто деякі загальні моделі фазової поведінки біологічних обєктів, які суттєво розширюють діапазон застосовності рівняння Мазура і дозволяють теоретично описати досить широкий клас систем на клітинному рівні, що викликає інтерес для технологій глибокого холоду.
У третьому розділі було розглянуто питання щодо моделювання температурних полів у біологічних обєктах при кріодіях. Можливість моделювання температурних полів при кріодіях поширює перспективи кріохірургічного застосування, оскільки прогнозування зони ураження за відомими теплофізичними параметрами тканини і характеристиками робочої частини зонда є основою успіху будь-якої кріохірургічної операції.
Температурне поле, що виникає в локально охолоджуваному біологічному обєкті, є пошкоджуючим фактором. Значна різниця між температурою некрозу і температурою початку утворення кристалів льоду ( Т = 273 К ) призводить до того, що глибина заморожування у кожний момент часу більша за глибину некрозу. Термічна нерівноважність стає джерелом додаткового руйнування здорових тканин, якщо процес кріодії некерований. Дослідженню поширення кріодій на тіла з неоднорідною структурою присвячено велику кількість праць, в яких було одержано описи усереднених температурних полів гетерогенних середовищ за допомогою заміни досліджуваного обєкта квазіоднорідним тілом з деяким узагальненим коефіцієнтом теплопровідності. Але слід мати на увазі, що чіткі постановки задач теплопровідності для знаходження температурних полів навряд чи мають рацію через неможливість задати точні крайові умови, що повязано з індивідуальною природою біологічного обєкта, яка виявляється у розкиді теплофізичних характеристик. Так, наприклад, за даними Г.Б.Чижова коливання вмісту вологи в мязах корів одної популяції й одного віку становлять 10% . Ця обставина спричинюється до того, що індивідуальність, яка притаманна обєктам моделювання, за рахунок усереднення теплофізичних характеристик може бути втрачена. Разом з тим, для біологічних обєктів реакція на кріодії має відображати їх індивідуальність, що є першорядною задачею не тільки для кріохірургії, але й для кріоконсервування. Структура біологічних обєктів є суттєво неоднорідною, та використання стандартного апарату теорії теплопровідності може бути виправдано у рамках макроскопічного підходу, якщо застосувати гіпотезу Г.Д. Дульнева і Ю.П. Зарічняка про адекватність ефективних коефіцієнтів переносу для однорідних і неоднорідних структур. Упорядковані структури мають далекий порядок, та для них можна виділити елементарну комірку, геометричні властивості якої дорівнюють відповідним властивостям усієї системи в цілому. Якщо розглянути невпорядковану структуру, то гіпотеза про адекватність упорядкованих і невпорядкованих структур припускає рівність їх однакових ефективних властивостей на макрорівні. Але при такому підході втрачається інформація про поведінку системи на мезорівні, що відбиває індивідуальні властивості біологічної системи в цілому. Адекватнішим наближенням до реальної складності біологічних структур є використання уявлень про фрактали, які досить добре імітують неоднорідність таких обєктів. Моделювання структурованих обєктів, для яких макротермодинамічний опис вже недостатній, а мікроскопічний через обчислювальні проблеми ще неможливий, зроблено в дисертації за допомогою підходів мезотермодинаміки. Масштаби, якими оперує це наближення, знаходяться між крайніми межами мікроскопічного (близько декількох Ангстрем) і макроскопічного (близько мільйонів Ангстрем) описів.
При такому підході біологічні обєкти ( біологічні тканини, структуровані біологічні рідини, клітинні структури ) відображаються деяким теплопровідним середовищем, в якому структурна неоднорідність генерується за рахунок хаотичного росту первісної локально рівноважної структури. Залежно від використовуваного закону росту, траєкторії руху формують такі перколяційні мережі, хаотичний характер яких якісно нагадує реальні структури біологічних обєктів у мезотермодинамічному масштабі. Ієрархічна організація обєктів, в якій можна виділити структури різних масштабів, як великих, так і малих, дозволяє застосувати принцип самоподібності ( тобто властивість обєкта, за структурою якого спостерігають в одному масштабі, повторюватися у послідовно зменшуваних масштабах ) для фрактального опису процесів переносу теплоти у біологічних системах. Поняття фракталу є досить нове, яке було впроваджено в науковий обіг на початку 80-х років у працях Б.Мандельброта.
Принциповою особливістю рівнянь переносу на фракталах є виникнення такої величини як фрактальна розмірність, яка є інформаційною мірою багатьох хаотичних теплопровідних шляхів розглядуваної структури. Перехід від макроскопічного опису до мезорівня здійснюється на підставі гіпотези про те, що коефіцієнт температуропроводності є функцією відстані та фрактальної розмірності. Алгоритм поширення кріодії в нерегулярному теплопровідному середовищі складається з трьох основних етапів:
• генерація геометричної структури біологічного обєкта – кластера (мікрорівень);
• визначення фрактальної розмірності теплопровідноїструктури (мезорівень);
• обчислення температурного поля фрактального середовища (макрорівень).
У дисертації здійснено компютерну реалізацію різних способів моделювання структури біологічних тканин, в яких експериментально спостерігається фрактальна структура обєкта. Фрактальну розмірність кластерів
. ( 1 )
визначали методом ренормалізаційної групи. Поле, на якому формували фрактал, розбивали на квадрати розміру ni й потім підраховували розмір кластера Ni (число зайнятих квадратів ). Одержаний набір чисел ln ni та ln Ni та оброблювали методом найменших квадратів, що дозволило дістати значення фрактальної розмірності з похибкою, меншою за 10%. Похибка визначення фрактальної розмірності повязана з тим, що на практиці неможливо задати нескінченні множини, тому число точок, що покриваються, завжди має кінцеве значення. Отже, для кінцевого числа точок завжди існує мінімальна відстань між ними. При зменшенні r, коли починає виконуватися нерівність rn

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020