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Devireddy等人[1]此前表明，基于焓的宏观模型所模拟的组织冻结过程与耦合模型（该模型综合考虑细胞水分转运和细胞内冰形成（IIF））的结果高度一致。然而，该比较仅针对有限的组织几何形状、冷却条件和生物物理参数开展。本文通过依据控制方程重新实现已发表的模型，并系统拓展参数空间，重新审视这一结论，以确定微观尺度过程在何种情况下会改变宏观尺度冻结响应的预测结果。我们在考虑细胞渗透性脱水的同时，引入细胞内冰的表面催化成核（SCN）和体积催化成核（VCN），并考察了广泛范围的组织尺寸、冷却速率、对流边界条件、膜渗透性、细胞尺寸、活化能、细胞内水分比例和成核速率。将细胞水分转运方程在渗透平衡附近线性化，可得到渗透松弛时间，并可将其与处于相变过程中的组织局部停留时间进行比较。二者之比定义了一个无量纲群，该无量纲群可用于刻画以下两种状态之间的转变：非耦合焓模型与耦合微观—宏观模型给出相近结果的状态，以及二者产生显著不同结果的状态。在本文考察的一维参数空间内，当该无量纲群低于约0.1时，两种模型的结果始终处于预设的热误差范围内；而当其超过该阈值后，二者之间的差异会系统性增大。模型结果的分歧还取决于细胞内冰成核过程；也就是说，当成核速率足够慢时，细胞水分转运可能成为潜热释放的限速环节。相反，当细胞内冰形成足够迅速时，可通过提供额外的潜热释放途径而减小宏观尺度上的差异。多维模拟进一步表明，仅几何形状本身就可能使名义上属于常规冻结方案的过程进入耦合状态。特别是，多方向冷却可显著缩短局部停留时间，从而导致预测冻结体积出现 substantial 差异，即使相应的热历程看起来相似。最后，我们提出了一种逆向方法，用于根据组织尺度的热历程估计细胞内冰形成参数。合成模拟表明，在一定范围的冷却条件下，参数反演是可行的，从而为未来的实验测量提供了一种可检验的策略。总体而言，这些结果为判断何时必须在宏观组织冻结模型中保留微观尺度生物物理过程，提供了一个基于机制的判据。
Devireddy等人[1]此前表明，基于焓的宏观模型所模拟的组织冻结历程，与结合细胞水分运输和细胞内冰形成（intracellular ice formation，IIF）的耦合模型结果高度一致。然而，该比较仅针对有限的组织几何形状、冷却条件和生物物理参数开展。本文通过根据其控制方程重新实现已发表的模型，并系统扩展参数空间，重新审视这一结论，以确定微观尺度过程在何种情况下会改变预测的宏观冻结响应。我们将细胞内冰的表面催化成核（surface catalyzed nucleation，SCN）和体积催化成核（volume catalyzed nucleation，VCN）机制与细胞渗透性脱水相结合，并考察了广泛的组织尺寸、冷却速率、对流边界条件、膜渗透性、细胞尺寸、活化能、细胞内水分比例以及成核速率。
在渗透平衡附近对细胞水分运输方程进行线性化，可得到渗透弛豫时间，并可将其与经历相变的组织局部停留时间进行比较。二者之比定义了一个无量纲群，用于刻画以下两种状态之间的转变：在一种状态下，非耦合焓模型与微观—宏观耦合模型产生相近结果；在另一种状态下，二者产生显著差异。在本文考察的一维参数空间内，当该无量纲群低于约0.1时，两种模型的结果始终处于预先设定的热误差范围内；而当其超过该阈值后，模型间的差异呈系统性增大趋势。模型结果的分歧还取决于细胞内冰成核过程；也就是说，当成核速率足够缓慢时，细胞水分运输可能成为潜热释放的限速过程。相反，足够快速的细胞内冰形成可通过提供额外的潜热释放途径，减小宏观尺度上的差异。
多维模拟进一步表明，仅几何因素就可能使名义上属于常规冻结的工艺进入耦合状态。特别是，多方向冷却能够充分缩短局部停留时间，从而导致预测冻结体积出现显著差异，即使相应的热历程看起来相似。最后，我们提出了一种逆向方法，用于根据组织尺度的热历程估算IIF参数。合成模拟表明，在一定范围的冷却条件下，参数反演是可行的，为未来的实验测量提供了一种可检验的策略。总体而言，这些结果为判断何时必须在宏观组织冻结模型中保留微观尺度生物物理过程提供了一个机制性判据。
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.26.754647v1?rss=1
🏷️ 组织冻结 细胞内冰形成 微观-宏观耦合 渗透脱水 冰成核动力学 无量纲分析