冷驱动下生命材料质迁移特征与力学行为耦合的相关性

Based on the visualization of microstructure of biomaterial, the relationship between the morphology of moisture migration, the characteristic of moving interface of different phases and the mechanical behavior of biomaterial is studied. The effect of the variation of microstructure on the phase change in the porous medium is developed. From the micro level, the fundamental data to develop the theoretical model of effective diffusivity of moisture will be supplied. The aim of the project is to explore the characteristic of heat and mass transfer considering the coupling function of moisture, temperature and stress. Meanwhile the coupling effect of biomechanical and heat and mass transfer on freeze-drying and cryopreservation would be presented. The innovation is: the project is from the view of the cross-over point of bio-heat transfer and biomechanical. The investigation is from the basic problem of micro level of biomaterial. The response mechanism of biomechanical is introduced into the investigation of heat and mass transfer. Several new techniques and computational methods will be used to study the problem in the preservation of biomaterials. Through the investigation of relationship between temperature and the variation of microstructure, the effect of the heat and mass transfer on vitality is ascertained. The contents and results will enlarge the depth and breadth of heat and mass transfer.

以生命材料微观结构可视化研究为基点，重点围绕由传质驱动力所造成的水分迁移形态、相变界面移动特征与生物力学行为之间的相关性展开基础理论研究。阐明生物力学结构变化在多孔介质相变界面中产生的效应，从微观层面为建立生物材料水分有效系数的理论模型提供基础数据。旨在探索豆科种子在湿度-温度-应力三场相互作用下的传热传质特征，揭示生物力学与传热传质两种行为耦合对冷冻干燥或低温保存所带来的影响。特色与创新体现在：项目的立论是以生物传热与生物力学交叉作为契合点，对生命材料微观层面的基础问题展开研究，将生物力学响应机制引入到传热传质研究中。同时引入多种高新技术手段和计算方法，探索研究生命材料保存所展现出的许多悬而未决问题的成因。通过研究因温度—生物力学行为改变所引发的微观结构变化关系，探明传热传质驱动力对生命材料活力的影响，研究内容及成果将使生物传热理论的深度和广度得到进一步提升。

本项目以生命材料微观结构可视化研究为基点，重点围绕由传质驱动力所造成的水分迁移形态、相变界面移动特征与生物力学行为之间的相关性展开基础理论研究。阐明生物力学结构变化在多孔介质相变界面中产生的效应，从微观层面为建立生物材料水分有效系数的理论模型提供基础数据。旨在探索豆科种子在湿度-温度-应力三场相互作用下的传热传质特征，揭示生物力学与传热传质两种行为耦合对冷冻干燥或低温保存所带来的影响。.项目研究通过将动态显微观察与数字图像处理、数值模拟计算相结合，开发了基于数字图像相关的相界面追踪方法并以此为基础研究了细胞内相界面移动模式；量化分析了水分迁移过程中样品微观结构的变化，包括细胞几何参数与形态参数的变化；孔道网络结构（细胞壁与细胞间隙）的变化以及该过程所伴随的细胞破裂趋势；采用两变量相关性分析方法分析了上述各微观结构参数与样品宏观特性（含水量、收缩率）之间的相关程度；并通过研究细胞骨架的变化，探索了水分迁移导致生命材料的微观结构变化的内在力学机理。.基于 Luikov理论和Fick 扩散定律，综合考虑水分传递和收缩的耦合影响，建立了适用于生物组织低温传质理论模型。该模型的创新点在于考虑了蚕豆水分传输时的动态特征长度和动态有效水分扩散系数。二者以数学模型的形式呈现，结合实验数据，通过拟合确定了模型参数，并且综合考虑了温度和真空度的影响。模型建立的方法为耦合形变的生物材料水分迁移过程的传热传质研究提供了有力保障。.本项目所揭示的孔隙结构动态演化特征以及对传热传质过程的影响，将对果蔬、生物组织乃至器官等具有生命特征的材料保存技术中所涉及的生物力学、生物传热学理论深度和广度得到进一步提升。