多种低温保护剂协同载入关节软骨过程的热物理模型构建研究

Sufficient permeation throughout the tissue and minimization of accompanying damage to cells are required for successful vitrification of articular cartilage (AC). In this project, theoretical and experimental studies on the process of co-permeation of multiple cryoprotective agents (CPAs) into AC will be carried out. First, a model will be developed to predict the co-permeation kinetics of multiple-CPAs in AC, wherein the diffusivity is a function of temperature, concentration, non-ideality of solution, and the interactions between CPAs, and the effect of the biomechanical properties of AC is coupled as well. The model predictions will be validated using experimental data. Second, a model which reveals the relationship between the critical cooling/warming rate (CCR/CWR) and the composition and concentration of multiple-CPAs solution will be constructed, wherein the contributions to CCR and CWR are divided into the contribution of each solute itself and that of the interactions between solutes. The model parameters will be obtained by fitting to the experimental measurements of CCR and CWR. The achievements of this project could be useful for monitoring of the spatial and temporal distribution of multiple-CPAs throughout the AC sample, and for judgment of the end time of multiple-CPAs loading.

如何在保证对软骨细胞造成的损伤最小的前提下，将足够多的低温保护剂载入关节软骨，是玻璃化保存关节软骨的关键环节之一。本项目针对多种低温保护剂协同载入关节软骨的过程展开理论与实验研究：依据多组分浓溶液的扩散特性，考虑溶液的温度、浓度、非理想性以及低温保护剂之间的相互作用对扩散速率的影响，并耦合关节软骨自身特殊的生物力学属性，建立描述多种低温保护剂协同渗透关节软骨的理论模型，并用实验数据加以验证；根据溶液的液体结构，将对低温保护剂溶液临界冷却和升温速率的贡献划分为溶质本身的贡献以及溶质之间相互作用的贡献，构建描述低温保护剂溶液临界冷却和升温速率与其成分和浓度关系的理论模型，并用实验数据拟合得到模型参数。本项目所得结果将为实时监测载入过程中软骨样品内部各点各低温保护剂的浓度，以及合理判断载入过程的结束时间奠定一定的理论基础。

玻璃化保存关节软骨具有临床治疗和科学研究的双重意义。如何在保证对软骨细胞造成的损伤最小的前提下，将足够多的低温保护剂载入关节软骨，是玻璃化保存关节软骨的关键环节之一。本项目针对低温保护剂载入关节软骨的过程展开理论与实验研究：（1）采用折光法、电导法和核磁共振碳谱法测定典型低温保护剂二甲亚砜、甘油、乙二醇和1,2-丙二醇的浓度，分别得到了溶液折光率、电导率与温度和低温保护剂浓度的关联式。电导法可实现低温保护剂浓度的实时监测，核磁共振碳谱法可同时测定多种低温保护剂的浓度。（2）依据浓溶液的扩散特性，考虑溶液的温度、浓度和非理想性对扩散速率的影响，建立了描述低温保护剂载入关节软骨的理论模型，该模型可实现对低温保护剂在关节软骨中的有效扩散系数的直接计算。经实验数据验证表明该模型适用于二甲亚砜、甘油、乙二醇和1,2-丙二醇。（3）测量得到了用于液相线跟踪法的CPTes2/Me2SO溶液的若干关键物理化学性质。CPTes2/Me2SO溶液的玻璃化临界降温速率和反玻璃化临界升温速率较Me2SO/H2O溶液相比均有显著降低，而平衡冻结点温度和玻璃化转变温度与Me2SO/NaCl/H2O相比没有显著差异。CPTes2/Me2SO溶液的pH随温度的降低而升高、随Me2SO浓度的升高而升高。（4）提出了流态化加载和去除低温保护剂的设想，以强化低温保护剂加载或从生物组织中去除的过程。设计了相应的装置，通过强制将低温保护剂溶液以一定的速率循环流动，以及对样品所在区域进行充气鼓泡处理，强化低温保护剂加载或从生物组织中去除的过程。本项目所得结果将为优化低温保护剂的加载和去除过程奠定一定的理论和实验基础，包括实时监测载入过程中软骨样品内部各点低温保护剂的浓度，以及合理判断载入过程的温度和结束时间等。