冰温应用于复杂生物组织保存的热质传递机理探索

项目围绕冰温温度带用于复杂生物组织乃至肾脏器官保存的热学机理展开研究，采用学科交叉的研究方法，重点关注复杂生物组织在冰点移动状态下的传热传质特性以及由此引发的细胞层面的响应。用可视化手段动态观察研究常温至临界冰温温度多类组织细胞聚集状态、以及它们之间热质传递的现象规律。拟解决的关键问题主要为：寻求使复杂生物组织细胞内外渗透压维持平衡的生物热力学条件和非相变极限温度与常温相互转变过程中如何维持细胞膜液晶相不变；非相变极限温度状态生物组织细胞超微结构形态变异及细胞力学损伤的定量化描述；尝试针对生物体真实形状同时考虑随时间变化的三维瞬态温度场重构。从宏微观两个层面上，阐明冰温保存复杂生物组织的传热机制，揭示冷热驱动过程中组织细胞间热质迁移的特征及规律。项目特色体现在：从目前生物低温保存中提取新的科学问题，扩展新的概念，而不是在新的科学问题里去寻找传统理论依据，重在开拓器官保存方法的创新。

项目围绕采用非相变极限温度（冰温）对肾脏器官保存的热学机理展开研究，采用学科交叉的方法，重点关注移植器官冷灌注时的传热传质特性以及由此引发的细胞层面的响应。采用可视化低温显微系统实验研究临界相变温度下，多类组织细胞聚集状态、以及它们之间热质传递的现象规律。探明非相变极限温度与常温相互转变过程中如何维持细胞膜液晶相不变；以及该温度状态细胞微结构形态变异、细胞力学损伤的定量化描述等关键问题。通过揭示相变过程对细胞损伤的热学机理，提出的移植器官延时保存方法得以实施。.在数值重构方面，提出了一种科学并相对准确的数值模拟方法。使肾脏三维温度场以及生物热应力场重构成功并相对准确，为深入了解肾脏低温保护液灌注过程中的传热特性，提供了一个研究平台以及理论与数据支撑的依据。对移植器官冷灌注过程中，因温度梯度而导致产生热应力等方面，进行了应力与变形的耦合场研究计算。据此认为冷灌注过程因温度梯度带来的生物热应力，并没有对细胞造成致命的应力损伤。该研究结论排除了“灌注过程可能会造成细胞力学损伤”的疑虑，并提供了理论依据。上述研究结果为避免灌注过程对细胞所造成损伤，找到了安全控制的方法和手段。.课题从细胞层面的基础研究至动物肾脏器官的成功移植，宏微观两个层面上，进行了细致而又深入的研究。清晰阐明非相变极限温度保存复杂生物组织的传热机制，揭示冷热驱动过程中组织细胞间热质迁移的特征及规律。项目的价值体现在：采用热科学的理论与方法，揭示和解决了临床移植医学中的（动物）器官延时保存问题。.需要说明的是：目前临床人体肾移植手术，肾保存时间原则上不能超过24小时，在临床上不能超过16小时。根据实验计算和测定的非相变极限温度，本课题将猪肾脏置于-0.8±0.05℃恒温箱，分别保存了36和55小时，肾器官自体移植取得了成功，并且达到了良好的效果，说明本课题提出的采用“非相变极限温度”延时保存移植器官，得到了科学的验证。