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纳米冷冻是针对目前在低温医学工程学领域所遇到的瓶颈问题提出的一种创新性理念。该方法通过向生物材料内添加功能性纳米颗粒以实现服务于不同目标的冻结过程的最优化。本文分别对纳米低温手术、纳米低温保存以及纳米低温冷冻干燥过程中所涉及的几类关键问题开展一系列理论与实验研究,在构建纳米冷冻过程基本理论框架的同时,验证了纳米冷冻在多领域应用中的可行性和有效性。本文工作的主要内容包括:
1.纳米冷冻成核理论的建立:通过引入界面因子f刻画纳米颗粒以及成核过程的尺寸效应和界面效应,考察不同形状、大小的纳米颗粒对异相成核方式的作用机制。
2.纳米冷冻过程的红外监测:利用红外热像仪捕捉纳米冷冻过程的相变瞬间,描述了液滴冻结的四个典型阶段:过冷阶段,复辉阶段,冻结阶段和冷却阶段,并就基底引入可能对液滴冻结造成的影响给出了详细解释。
3.纳米冷冻的拉曼光谱:利用激光共聚焦拉曼光谱测试纳米冷冻过程中样品的拉曼光谱变化,讨论纳米颗粒添加所导致的样品结构改变。
4.纳米冷冻过程的热应力数值模拟:采用有限元软件COMSOL模拟纳米低温手术和纳米低温保存过程的温度场与应力场,分析纳米颗粒对热学和力学参数的影响,并讨论冷刀降温速率、纳米颗粒浓度、形状等对冻结过程温度场及应力场的影响。
5.纳米冷冻干燥的实验研究:首次提出纳米冷冻干燥的基本概念,通过实验研究初步证明该方法在提升冻干速率方面的有效性,观察了冻干后样品的纹理结构,并概括可能对纳米冷冻干燥速率造成影响的因素。