【摘 要】
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超声波辐射法由于其反应条件温和、操作简便、能源清洁和产物干净的原因,已经成为科学家们密切关注的研究方法。相关研究表明,超声波辐射法已经被广泛用于医疗、食品、工业、降解和生物技术等领域。细胞是生物体的基本结构和功能单位,随着对细胞的深入研究,细胞内有机物的相关研究逐渐受到广泛的关注,利用超声波辐射技术提取细胞内容物和超声波作用于细胞或微泡的声孔技术成为研究重点。超声波在处理细胞时有高效、耗时短和能耗
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超声波辐射法由于其反应条件温和、操作简便、能源清洁和产物干净的原因,已经成为科学家们密切关注的研究方法。相关研究表明,超声波辐射法已经被广泛用于医疗、食品、工业、降解和生物技术等领域。细胞是生物体的基本结构和功能单位,随着对细胞的深入研究,细胞内有机物的相关研究逐渐受到广泛的关注,利用超声波辐射技术提取细胞内容物和超声波作用于细胞或微泡的声孔技术成为研究重点。超声波在处理细胞时有高效、耗时短和能耗少的特点,而超声波空化作用后产生的射流使剪切力作用于细胞膜,水力剪切力破碎细胞的优点在于对细胞污染少,因此超声波辐射法粉碎细胞有重要的研究意义。本文通过计算机仿真模拟,研究了适合超声波辐射实验的容器和探头深度,接着研究了细胞在破裂气泡的射流和超声波作用下的形变,探索了适合细胞破碎的条件。主要的研究内容和结果如下:（1）通过使用COMSOL Multiphysis?软件求解亥姆霍兹方程,研究了超声探头位置、容器形状和超声输入功率对反应器中声压分布的影响。研究中使用了三种不同类型的玻璃容器,分别是烧杯、锥形瓶和圆底烧瓶。当探头和容器底部之间的距离减少时,三个容器中的声压最大值将逐渐增加。当距离减小时,圆底烧瓶中的高声压区面积没有明显变化,而烧杯和锥形瓶中的高声压区面积急剧增加,这说明使用圆底烧瓶可以减少死区对声波辐射的影响。此外,功率的变化增加了容器中负声压峰值的数值,提高了超声空化的响应效率。最后,通过铝箔纸腐蚀试验得出,在实际实验条件下使用锥形瓶的空化效果比使用烧杯的效果好。（2）在上述研究的基础上,提出了气泡-细胞模型。通过使用COMSOL Multiphysis?软件求解亥姆霍兹方程和运动平衡方程,研究了气泡团与细胞之间的距离、气泡的半径以及气泡介质对细胞变形程度的影响。超声换能器应用于圆底烧瓶中,气泡-细胞模型位于超声探头的一侧。当气泡团与细胞之间的距离逐渐增大时,细胞的变形程度反映为先增大后减小,在气泡和细胞距离D=2时达到最大变形。当气泡的半径改变时,在任何距离的情况下,低频超声都有一个―恒定频率‖,在这个频率下,细胞的变形会很剧烈。然而,当气泡介质改变时,细胞的变形程度没有明显变化。换句话说,气泡-细胞模型结构的变化会影响细胞的变形程度,但在没有结构变化的情况下,细胞的变形程度变化非常小。本文对超声波辐射法肾皮质细胞破碎实验进行设计,通过软件模拟了微观系统内气泡破裂产生的射流对细胞形变的影响,可以为超声波破碎细胞技术提供一定的理论参考。
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