一种基于单纯超滤法的低温保护剂处理系统研究外文翻译资料

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

一种基于单纯超滤法的低温保护剂处理系统研究

周晓明

（电子科技大学，成都，610054）

摘要：在大多数低温保存实验应用中，处理最后的低温保护剂浓度必须要降低到能与生物相兼容的水平。然而，在传统去处低温保护剂的方法中存在操作复杂、消耗时间长、易于污染等缺点，特别是对细胞悬液中大分子物质去处的能力更是不足。为了能够实现持续自动地在一个封闭的系统中有效的去除低温保护剂，作者提出了一种基于单纯超滤法原理的新处理方法。先在基于理论模型的仿真模拟下，来预测在给定实验条件下的最优处理流程。然后，在对无细胞实验处理低温保护剂的过程中，通过对处理后的低温保护剂浓度与其理论值进行对比，从而去验证模型的正确性。最终，我们通过对十袋（212.9 ml/ unit 9.5 ml/ unit）复温过的人体红细胞（经过40％（W / V）甘油冷冻保存）在最优处理流程下进一步验证了系统的有效性和其自身存在的优势。而在无细胞预处理实验过程中，甘油的去除浓度变化也十分符合理论模拟的结果。在临床试验的一个小时之内，红细胞内甘油浓度降低到5.57 g/ l 2.81 g/ l，而细胞回收率达到了91.19% 3.57%。因此，该系统不仅能够安全有效的去除低温保护剂，同时也能够很好的去除细胞悬液内中大分子物质。当然，该系统的各项参数需要针对各个不同的情况进行专门的设置，而文章中提出的理论模型也将为在给定的实验条件下找到最优处理流程而提供有效的解决途径。

关键字：低温保存；低温保护剂；去除；超滤；

1 前言

在低温保存中，低温保护剂的解冻清洗通常要使其浓度达到能够与生物相兼容的水平。然而在去除低温保护剂的过程中往往会因为细胞渗透压不平衡而导致细胞低温损伤^【1】。在过去的几十年里，很多人也对此进行了大量的研究努力^【2-10】。

目前，离心的方法是最常用的，而且其中一些也可以达到良好的效果^【2-6】。然后，在处理含有大量的细胞悬液或者是含高浓度低温保护剂（例如去冷冻红细胞去甘油实验）的过程中，存在着程序编写过于复杂、手工操作过于费时等缺点。另外，大多数的系统不是封闭进行的，因而更容易造成污染^【7,11】。自动离心系统可以显著的降低人为操作上的污染^【6】，但是昂贵的成本却限制了它的广泛的应用。最近，一些研究者尝试着使用透析法来代替离心法^【7-10】。此方法的确可以有效的去处低温保护剂，但是由于透析器内中空纤维膜的形状和分布不均匀性，尤其是在不稳定的状态下，从而导致其中的传质过程过于复杂而难以控制。此外，透析法本身对去除大分子物质的能力有所欠缺^【12】，因此无法有效去除低温保存后细胞悬液中的破裂细胞所形成的细胞碎片及释放出的各种蛋白。这些因素都对透析法在低温保护剂处理过程中的应用范围形成了一定的限制。

在人工肾领域，血液滤过通过灌注和超滤的作用来去除人体血液内的毒素，在临床上得到了广泛的应用。而且，普遍认为血液滤过比血液透析具有更好的可控性和去除大分子物质的能力^【12】。，参照血液滤过的形式，本文设计了一种基于超滤法的低温保护剂处理系统。在此系统中，封闭的环境将有利于避免细胞的污染，持续性的自动化进程也将对大分子物质的去除提供方便。在这项工作中，先对该系统处理过程做理论研究，建立一种有效的寻找最优处理流程的方法，最大地发挥该系统的潜力和优势。

2 基本假设和方程

2.1 系统设计

超滤法低温保护剂处理系统设计如图1所示（过滤器：Plasmflo TM AP-05H/L, ASAHI；蠕动泵：400F/M1, Watson–Marlow；硅胶管：985–75, Pall）。在过程开始前，首先将复温的细胞悬液转移至系统中特殊的血袋中。该血袋上下都有通口，以实现对细胞悬液的循环处理。在去除低温保护剂过程中，细胞悬液在泵的驱动下沿血袋、混合器及滤过器之间循环流动。当流经混合器时，细胞悬液被稀释液快速稀释，稀释比例可以由泵速精确控制以防止细胞溶解。在滤过器中，含有低温保护剂的胞外溶液被部分超滤。随着循环的进行，细胞悬液中的低温保护剂被持续清除。该过程可以在封闭系统中自动运行，因此有望在减少人工的同时避免对细胞的污染。

图1 超滤法低温保护剂处理系统的结构原理（细胞悬液在超滤过程中能够持续不断的去除低温保护剂）

2.2 理论模型

最优处理流程在此定义为能以最少的时间将低温保护剂去除至指定安全浓度（如常用的10g/L），且去除过程中细胞的最大体积变化不超过指定限制的流程。本文通过基于理论模型的仿真模拟来预测在给定实验条件（如初始低温保护剂浓度，细胞压积比及细胞悬液总体积）及约束（如最大细胞体积限制）下的最优清洗流程。理论模型的具体构造如下所述。

2.2.1 基本假设与方程

超滤法低温保护剂处理系统理论模型（如图2所示）的建立主要基于以下几个假设：(1) 细胞悬液中的胞内和胞外溶液都是由水、一种渗透性低温保护剂（如甘油）及一种非渗透性盐（如NaCl）组成的三元溶液；(2) 系统中包括血袋、混合器、滤过器及其他连接管路中都充满细胞悬液，且细胞在其中均匀分布；(3) 在循环处理过程中，细胞悬液中的胞外溶液在灌注点/滤过点被快速而均匀的稀释/超滤；(4) 细胞悬液在系统中的流动是一维的，而且其中的对流作用可以忽略。

图2 超滤法低温保护剂处理系统的理论模型 a 整体模型 b 单元模型

基于以上假设，我们针对细胞悬液中的胞外溶液可以建立如下传质控制方程：

式中，A为有效传质面积，D为溶质的扩散系数，为胞外溶液中的溶质摩尔渗透压浓度，S表示各种作用下的源项。

2.2.2 源项的计算

通过暂时忽略式(1)中的扩散项，我们可以得出求取源项的如下关系式：

式中， 及 分别为胞外溶液中溶质的渗透压摩尔数及水分体积，上划线则表示假定的推导条件。对胞外溶液来说，源项主要来自于灌注、超滤及通过细胞膜的传质三种作用，因此式(2)中的及可进一步细分为：

式中，下标d，f及c分别表示灌注、超滤及跨细胞膜传质三种作用。根据假设(2)，细胞悬液可以均匀划分为有限数目的控制体积(Control Volumes, CVs)，如图2(b)所示。对每个控制体积，式(3)与(4)中右侧的各项可由如下方法计算。

2.2.2.1灌注/超滤项

按照假设(3)，当一个控制体积通过灌注点时，胞外溶液被迅速稀释。也就是说，稀释作用仅发生在灌注点。考虑到系统中所应用的为单纯超滤模式，本文同样假定超滤作用只发和在指定点（即超滤点，如图2(b)所示），而且超滤液的成分为胞外溶液成分一致。基于以上假定可得：

式中，Q_f，Q_b及Q_d分别为超滤液、细胞悬液及稀释液的流速，为稀释液中溶质的浓度，为胞外溶液中的CPA浓度，为CPA的偏摩尔体积，V_CV 为单个控制体积的体积大小。

2.2.2.2 通过细胞膜的质量传递

对于之前的三元溶液假设，其跨膜传递过程可由如下的“二元方程”描述^【13,14】：

式中，L_p为细胞膜的水压渗透率，P_s 为CPA的渗透系数，R为通用气体常数，T 为绝对温度，A_c为细胞膜表面积，为细胞内水分体积，M为各溶质的摩尔渗透压浓度，上标i和e分别表示胞内和胞外空间。细胞的总体积由三部分组成：

式中，为细胞内的CPA体积（盐分的体积忽略不计），V_cb为细胞内的固态成分体积，不随细胞体积变化而变化。一旦求得细胞体积及细胞内CPA浓度的变化情况，及的值由物质的量守恒计算如下：

式中，n_c为单个控制体积内的细胞总数。

2.2.3 仿真计算

利用有限体积法，式(1)所示的控制方程可以离散为如下所示的全隐格式：

式中，a为方程组中的系数，K为系统中的控制体积总数，下标k表示系统中的第k个控制体积，上标old指求解过程中的前一个时层。S_c和S_p分别为线性化后的源项的常数项和斜率：

式中，下标“k-1”和“k 1”分别指沿细胞悬浮流向（即x方向）上的前一个和后一个控制体积（相对第k个控制体积而言）。注意到细胞悬液在封闭的系统中做循环流动，第一个控制体积与最后一个控制体积首尾相连，因此有：

虽然本文所提出的模型可以应用在更复杂的情况下，但为了便于讨论，在此进一步假定：(1) 清洗过程中细胞悬液总体积保持不变，亦即超滤液流速始终与稀释液流速保持一致；(2) 稀释液为等渗(0.29 Osmol/kg·water)盐溶液。基于这样的假设，一个仿真计算过程中的基本参数包括两个方面：(1) 实验条件，包括细胞悬液的初始体积()、细胞压积()以及胞内外溶液中的CPA浓度 ()；(2) 系统操作参数，包括细胞悬液流速(Q_b)及稀释液流速(Q_d)。模型中其他参数的初始值可由以上参数计算如下：

式中，V_iso为细胞的等渗体积。设定初始位于稀释点(x=0)的控制体积为第一个控制体积(CV₁)，则其他控制体积的初始位置也都可以确定。这样每个控制体积内的及值也就可以按照式(3)～(13)确定，线性方程组(14)～(17)可以通过数值方法求解。通过交替地计算各控制体积内的源项值或解线性方程组，即可求得清洗过程中的CPA浓度变化以及细胞体积响应情况。图3为对一典型的清洗过程的仿真结果，其中 = 200ml，= 30%，= 6.28 Osmol/kg·water (约40% w/v)，Q_b=200ml

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[137864]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word