内皮细胞内冰晶形成及生长规律的机理性研究

胞内冰晶形成机理是低温生物学领域关键问题。而制约其发展的根本原因是由于成像技术的限制。本项目拟突破以往研究不足，利用高速CCD与激光共聚焦显微镜成像技术、通过图像处理、以及生物医学技术与传热传质学分析方法的综合交叉，实时显微观察研究内皮细胞在降温过程中，胞内冰晶形成与生长的过程，并对多个不同条件下（包括不同温度、降温速率、不同溶液条件、不同细胞密度等）细胞内冰晶形成和生长规律进行系统实验研究，分析细胞膜与细胞骨架与其形成与生长的相对关系，总结出重要影响因素和形成机制；同时基于实验结果建立描述细胞内冰晶形成、生长的生物传热传质学理论模型，发展新的冰晶生长理论。

项目组成员在传统低温显微技术中引入高速成像系统，结合优化的成像条件和图像处理方法，首次成功观察到肿瘤细胞与人内皮细胞内的冰晶形成和生长的微观清晰结构，并深入比较了多个参数对人内皮细胞、肿瘤细胞内冰晶生长和重结晶现象影响的特点。在该实验基础上，创建了冷冻过程中的细胞传质模型,　成功实现了动边界条件下细胞内水分传输、冰晶形成、细胞体积缩小等的耦合计算，据此对细胞在低温条件下的形态变化及胞内组分的传质过程进行了深入的理论分析，特别是指出并获得细胞内结构（如细胞核膜）等对细胞内微观传质及结晶过程的影响。在此理论研究基础上，进一步研究了细胞膜对于纳米粒子细胞内外传质的影响理论模型，从传质驱动力的角度，理论解释了不同纳米粒子进入细胞的规律，以及其受温度影响的机制。项目发表SCI收录期刊论文９篇，包括ASME Journal of Biomechanical Engineering, Cryobiology, Physics in Medicine and Biology, ASME Numerical Heat Transfer等期刊论文。培养博士生两名，硕士生３名。多次参加国内外学术会议，项目在研期间，项目负责人获得上海市启明星人才称号。