單模諧振腔微波對(duì)冷凍生物材料復(fù)溫的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究及優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、低溫保存中，影響細(xì)胞或組織存活的一個(gè)重要因素是其復(fù)溫過(guò)程。傳統(tǒng)的復(fù)溫方式都是將低溫保存后的細(xì)胞和組織放到37℃的水浴或者直接暴露在空氣中進(jìn)行復(fù)溫，這些方式有很大的弊病，首先由于生物材料相對(duì)較低的導(dǎo)熱系數(shù)與較大的比熱容，采用傳統(tǒng)復(fù)溫方式很難獲得較高的復(fù)溫速率；其次，由于只是在表面加熱，將導(dǎo)致不同區(qū)域之間會(huì)存在大的溫度梯度，從而形成熱應(yīng)力對(duì)組織造成機(jī)械損傷。微波所具有的穿透性與熱效應(yīng)，使得其對(duì)物體的加熱過(guò)程是一體積效應(yīng)，因此用微波加熱低溫保

2、存后的生物組織看起來(lái)是解決目前復(fù)溫問(wèn)題的關(guān)鍵所在。但是，如果對(duì)微波加熱過(guò)程不加以控制，那么由于會(huì)出現(xiàn)“加熱失控”而很難達(dá)到對(duì)組織的均勻加熱。因此必須對(duì)微波復(fù)溫過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值上的研究，以達(dá)到均勻復(fù)溫的目的。微波復(fù)溫的加熱均勻性影響因素很多，包括樣品物性、微波腔模式、樣品尺寸形狀等，因而十分復(fù)雜。 本文首先針對(duì)復(fù)溫過(guò)程中生物組織低溫下物性的缺乏，建立了一套測(cè)量系統(tǒng)并測(cè)量了幾種材料的物性。利用波導(dǎo)測(cè)量線(xiàn)設(shè)備與低溫水浴建立了一套測(cè)量

3、低溫下生物組織和低溫保護(hù)液介電常數(shù)與電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用已知其材料物性的有機(jī)玻璃與聚乙烯對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)能夠?qū)Σ牧系慕殡姵?shù)與電導(dǎo)率進(jìn)行精確測(cè)量。測(cè)量了-45℃到30℃，頻率為8～12GHz的豬類(lèi)脂肪、-25℃到30℃，頻率為8～12GHz的豬后腿肌肉和體積比濃度為5％、15％和30％DMSO溶液在-25℃到15℃之間的介電常數(shù)與電導(dǎo)率，并對(duì)三者隨溫度變化的特性進(jìn)行了對(duì)比討論，總結(jié)了生物組織在-10℃附近介電物性的變化

4、規(guī)律與低溫保護(hù)液介電物性隨濃度變化的規(guī)律。引入熱穩(wěn)定因子，分析了前面三種所測(cè)材料的熱穩(wěn)定性。 其次建立了微波腔中復(fù)溫的三維數(shù)值模型，分析了樣品內(nèi)部電場(chǎng)均勻度隨微波腔模式、樣品物性、樣品尺寸與形狀的變化規(guī)律，提出一些改善復(fù)溫結(jié)果的方法。首次用有限元法建立了微波復(fù)溫的三維數(shù)值模型，該模型被文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所驗(yàn)證。然后采用該模型對(duì)樣品內(nèi)部電場(chǎng)不均勻度的影響因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)TE101模的諧振波比TE103模在樣品內(nèi)部具有更好的均勻性分

5、布。接著分析了樣品物性對(duì)內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響，發(fā)現(xiàn)所分析的樣品內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度峰值隨介電常數(shù)εr增大而減小，不均勻度隨電導(dǎo)率σ增大而增大。針對(duì)球形、方形與圓柱形三種基本形狀的樣品，比較了內(nèi)部電場(chǎng)分布不均勻性，同時(shí)也比較了圓柱形樣品三種擺放方式時(shí)的不均勻性分布，從比較結(jié)果中發(fā)現(xiàn)球形樣品具有最好的電場(chǎng)分布均勻性，最有可能實(shí)現(xiàn)均勻復(fù)溫。最后分析了不同尺寸的球形樣品內(nèi)部電場(chǎng)不均勻性分布，發(fā)現(xiàn)不均勻度變化與直徑的平方成正比，而不同尺寸樣品相同位置的不均

6、勻度卻比較接近。 最后討論分析了微波復(fù)溫的優(yōu)化設(shè)計(jì)，引入復(fù)合復(fù)溫概念，分析并討論了對(duì)流以及開(kāi)停循環(huán)對(duì)復(fù)溫結(jié)果的影響。對(duì)比分析了幾個(gè)不同功率下無(wú)對(duì)流時(shí)的微波復(fù)溫過(guò)程及最大溫差，以及在一定輸入功率的工況下，由不同對(duì)流換熱系數(shù)的復(fù)合復(fù)溫所形成的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)加入對(duì)流的復(fù)合復(fù)溫不但可以加快球殼的升溫速度，還可以抑制球中心的升溫速度，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)太大的對(duì)流換熱系數(shù)將在外球殼內(nèi)造成更大的溫度梯度。提出一個(gè)最大對(duì)流換熱系數(shù)的估算公式，采用該公式計(jì)算