生物材料的低温保存在国民经济的多个行业有重要应用，如何最大程度地避免冷冻和复温过程中的损伤、实现更大体积生物材料的保存是人们长期以来所追求的目标。将热力学和传热传质学应用于低温保存领域，对低温保存的各个环节进行深入分析，将有助于低温保存方案的设计和优化。本论文以脐带血干细胞为保存对象，进行了以下理论和实验研究工作： 1 建立了悬浮细胞渗透特性测试装置，该装置的主体为渗透腔，既可测量细胞的静态渗透性能，又可测量细胞的动态变化。应用该装置，获得了脐带血干细胞的平均直径、不可渗透体积、对水的渗透系数及活化能、对低温保护剂二甲亚砜的渗透系数及活化能等实验数据。 2 对低温保护剂加入和取出过程进行了理论研究。基于描述水和低温保护剂进出细胞的两参数模型，本文得到了在一种低温保护剂情形下，加入和取出过程中细胞体积和细胞内水体积极值的分析解，并对Katkov提供的近似解的误差原因和适用条件进行了讨论。本文还对加入和取出过程的优化进行了探讨。 3 建立了一套低温显微镜系统，该系统采用物镜放大倍率为40的倒置式显微镜，低温环境由冷氮气提供，通过控制冷氮气的流量和镀膜玻璃的加热量来调节被冷却样品的温度，冷冻过程中的细胞图象通过摄像头获取，整个系统的温度记录和控制、图象的采集和存储都由一台计算机自动完成。 4 应用低温显微镜，对脐带血干细胞的结冰性能进行了测量。在没有低温保护剂时，处于等渗状态的细胞的胞内冰晶形成机制是细胞膜内表面成核(surface catalyzed nucleation，简称SCN)，在有二甲亚砜做低温保护剂时，胞内冰晶的形成机制是细胞内异质成核(volume catalyzed nucleation，简称VCN)。利用得到的实验数据，根据Toner等提出的胞内冰晶形成模型，对SCN和VCN计算式中的相关参数进行了拟合。 5 建立了细胞冷冻过程的数学模型，该模型包括描述水和低温保护剂输运的方程、描述胞内冰晶形成的方程和描述冰晶生长的方程。应用该模型，对脐带血干细胞的冷冻过程进行了模拟计算，得到了以下结论：a)低温下若细胞对浙江大学博士学位论文低温保护剂有较高的渗透性，仅仅考虑冷冻过程中水的输运是不够的，必须同时考虑水和低温保护剂进出细胞;b)在没有低温保护剂时，随着冷却速率的提高，细胞内结冰概率增加，在冷却速率达到5℃/min时，结冰概率接近100%，为了使细胞不致因胞内冰而死亡，冷却速率最好在0.5℃/而n以下;c)在有5一100/0的二甲亚矾做保护时，结冰概率在9℃/min时接近0o/o，冷却速率上升至13℃/而n时达到100%，低温保护剂浓度高低的影响较小。制作了升降式降温仪，应用该设备对脐带血干细胞的冷冻保存进行了实验研究。在有5%和10%的二甲亚矾做低温保护剂时，在分别冷却速率为10℃/min和10.5℃俪n时细胞具有最高的存活率，而冷却速率远比此速率高或低时细胞存活率均显著降低。本文的数学模型较好地解释了实验中冷却速率对细胞存活率的影响。根据胞内冰晶形成概率小于5%前提下冷冻时间最短的优化策略，理论上的最佳冷却速率在 10.8℃/min左右，与实验所得到的10℃/min和10.5℃/而n十分接近。