血浆速冻过程的数值模拟及实验研究

摘要

新鲜冰冻血浆（Fresh Frozen Plasma，FFP）在临床上具有重要意义，优化血浆速冻过程、提高凝血因子的活性对冰冻血浆品质至关重要。 血浆速冻方式主要有常见的风冷式、平板式、混合式以及应用较少的溶液沉浸式。针对血浆速冻方式的过程分析比较少，因此研究分析血浆冷冻过程中的温度变化，优化血浆速冻方式，改进速冻工艺和设备，对保证血站新鲜冰冻血浆的质量具有重要指导作用，对研究其他生物材料的速冻也具有一定的借鉴意义。 本文以新鲜牛血浆为研究对象，通过实验和数值模拟两种方式，研究了不同速冻方式下血浆速冻过程的温度变化以及对血浆品质的影响。主要研究内容如下： （1）通过实验测量和经验公式的分析，确定了血浆的物性参数（比热容、含冰率、热导率、密度等）、血浆袋表面传热系数、血浆袋内部的导热情况、以及振荡对沉浸式速冻的影响，为数值模拟奠定基础。 （2）考虑实验测量过程中耗时耗材局限性大的缺陷，建立了血浆三维数值模型，运用FLUENT对血浆速冻过程进行了数值模拟，预测不同速冻方式下血浆内部温度变化过程。 （3）搭建不同速冻方式的实验台，研究了不同速冻方式对血浆冷冻的影响。 （4）通过对凝血因子Ⅷ的活性以及血浆总蛋白浓度的检测实验研究了不同速冻方式对血浆品质的影响。 （5）分析了不同速冻过程的血浆温度变化以及预冷段、结晶段、深冷段三个阶段与血浆品质相关性，并将模拟结果与实验结果进行了对比。 得到结论如下： （1）四种血浆速冻方式的温度测量实验结果显示，血浆最快的速冻方式是平板式，热中心温度达到-30℃的时间为1458s，其后依次是沉浸式、混合式和风冷式，速冻最慢的风冷式热中心温度达到-30℃的时间为4107s。 （2）对比不同速冻方式的温度测量实验结果发现，血浆的温度-时间变化曲线随表面到中心位置的不同而不同，血浆表面的温度下降最快，热中心温度下降最慢；不同速冻方式血浆内部的温度梯度不同，但温度梯度的整体变化趋势相同，都是在预冷段初期先逐渐变大，再逐渐变小，然后逐渐变大并在结晶段末期达到最大值，进入深冷段后又逐渐变小；不同速冻方式速冻过程中都会出现一个短暂的过冷状态，冻结越快的速冻方式过冷状态越明显。 （3）通过血浆活性检测实验发现，越快的速冻方式速冻的新鲜冰冻血浆品质越好，血浆品质最好的速冻方式为平板式，凝血因子Ⅷ平均活性为201.7%，血浆总蛋白浓度为61.40g/L，其后依次是沉浸式、混合式和风冷式；通过四种不同速冻方式在预冷段、结晶段、深冷段的时间长短及内外最大温差的横向对比发现，预冷段、结晶段的时间长短与血浆品质呈负相关，深冷段的时间长短对血浆品质没有明显影响。 （4）实验结果与模拟结果的对比验证了血浆速冻模型的正确性，实验值与模拟值血浆温度变化曲线的大致趋势是相同的，但是模拟值与实验值在速冻时间上存在0.9%～3.4%的误差。误差的存在与实验过程中冷冻介质温度的波动、热电偶测量位置的偏差、模拟过程中做出的假设有关。 （5）实验发现，四种速冻方式都有其各自的缺陷。血浆品质最好的平板式由于内部的机械式结构在闭合平板时会导致血浆袋的损坏从而导致血浆的浪费以及设备的污染；沉浸式会由于溶液的腐蚀性问题导致血浆袋上标签的损坏；风冷式及混合式存在时间较长以及品质较差的问题。

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第一章 引言

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1新鲜冰冻血浆的现状

1.2.2冷冻工艺对血浆质量的影响

1.2.3血浆冻结过程

1.2.4血浆的冷冻方式以及速冻设备的研究现状

1.2.5冷冻过程数值模拟的研究现状

1.3主要的研究内容及方法

1.3.1主要研究内容

1.3.2主要研究方法

第二章 血浆样品参数的计算及测定

2.1血浆的基本参数

2.2 血浆的物性参数

2.2.1血浆的比热容

2.2.2血浆冷冻过程中的含冰率

2.2.3血浆的密度

2.2.4血浆的热导率

2.2.5血浆冷冻过程的表面传热系数

2.2.6血浆内部传热

2.2.7振荡对对流换热的影响

2.3本章小结

第三章 血浆速冻过程的数值模拟

3.1物理模型

3.1.1物理模型创建

3.1.2网格划分

3.2基本假设

3.3数学模型

3.3.1边界条件

3.3.2初始条件:

3.4 Fluent相关参数的设定

3.5数值模拟结果及分析

3.5.1风冷式速冻模拟结果分析

3.5.2平板接触式速冻模拟结果分析

3.5.4酒精沉浸式速冻模拟结果分析

3.6本章小结

第四章 实验研究及分析

4.1实验材料

4.2实验设备

4.2.1温度测量设备

4.2.2数据记录设备

4.2.3速冻设备

4.3实验方法

4.3.1血浆的制备

4.3.2温度实验

4.3.3血浆总蛋白浓度及凝血因子Ⅷ检测

4.4实验结果分析

4.4.1血浆速冻实验的温度变化

4.4.2血浆速冻实验的活性检测

4.4.3实验与模拟对比

4.5本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

附录1

附录2

致谢