学科竞赛驱动下课程改革与实践——以化学工程与工艺专业为例

本文以化学工程与工艺专业为例,从学科竞赛出发,从课程教学团队、教学内容、教学方法和考核模式等方面对专业课程进行了一系列改革和探索,组建了创新团队,形成了学科竞赛平台,学生实践创新能力和综合素养得到提升,育人成效显著。

高压纳秒脉冲电场对同源细胞的杀伤差异性研究

为深入研究高压纳秒脉冲电场诱导同源细胞的生物电学效应的差异性,该文以人永生化角质形成细胞(HaCaT)、人黑色素瘤细胞(A375)和人黑色素瘤耐药细胞(A375/R)为研究对象,开展细胞悬液杀伤实验,并搭建肿瘤三维水凝胶模拟组织消融实验平台,分析高压纳秒脉冲电场对悬浮细胞的杀伤效应以及对模拟组织的消融效果。同时,结合单细胞真实几何尺寸建立有限元仿真模型,分析高压纳秒脉冲电场作用下几何尺寸对细胞核膜上穿孔面积以及穿孔数量的影响。实验结果显示,在高压纳秒脉冲作用下,正常细胞的存活率最高且消融面积最小,肿瘤耐药细胞的存活率最低且消融面积最大。实验与仿真结果表明,正常细胞、肿瘤细胞及肿瘤耐药细胞对高压纳秒脉冲电场的敏感性存在显著差异,高压纳秒脉冲电场对正常细胞的效果最弱,对肿瘤耐药细胞的效果最强。研究表明,高压纳秒脉冲电场在肿瘤消融领域具有不影响周边正常组织的潜在的临床应用价值。

基于射频电极群独立控制的适形消融系统设计

该研究旨在开发一种射频电极群独立控制系统,用于实现不规则组织的适形消融。与传统单一射频电压不同的是,该研究采用高频变压器隔离和射频负载匹配技术,将射频信号源分割为8组独立且具有相同相位和频率,但不同电压值的射频信号。实验结果表明,所设计的系统可分别独立输出多种组合射频信号。实际输出电压与理论计算电压的相对误差控制在6%以内,频率误差小于0.5%,且各组信号的相位相差小于1°。在仿生物组织加热实验中,控制电极群中各电极的电压,可实现不同形状的消融,且消融深度与施加的射频电压呈正相关。

电磁脉冲引起人体血脑屏障开放的生物电磁剂量学

目的:对电磁脉冲引起人体血脑屏障开放的生物电磁剂量学进行研究。方法:基于典型暴露平台建立人体脑部剂量学研究环境,利用三维数字化人体模型并结合电磁仿真方法对生物电磁剂量进行仿真评估。结果:头部中心的电场峰值为1.49 kV/m,与激励电场相比衰减41.6 dB;鼻尖皮肤表面处空气中最大电场幅值为1795 kV/m;一次脉冲下头部空间的平均吸收率为4.16×10^(-8)J/kg;重复频率1 000 s^(-1)的极端条件下的头部平均比吸收率为4.16×10^(-5)W/kg。结论:局部高强度电场是临床应用中重要的安全隐患,需要结合血脑屏障开放的量效关系研究抑制局部高强度电场的手段,本研究的人体脑部生物电磁剂量数据可用于临床效应的可行性评估。

电磁场暴露中实验动物的热剂量学研究

本文开展了电磁暴露下实验动物的热剂量学特征研究。基于生物热方程和数字化三维大鼠模型建立了电磁剂量和热剂量仿真环境,评估了比吸收率、代谢率和边界条件对温度分布及变化的影响。结果表明:核心温升随全身平均比吸收率(WBASAR)增加而增加;在WBASAR值为4 W/kg的电磁波照射下,中脑和睾丸因趋肤效应具有较高的比吸收率值,导致器官组织的温升明显高于核心温升;在WBASAR值为0.4 W/kg的电磁波照射下,代谢和外界环境突变引起的浅层器官温度变化可达到1℃,远高于核心温升值。在实验评估中,头部和睾丸等靶器官是关键的热剂量评估对象;在实验设计中,需合理规范实验条件,降低代谢率和热边界条件对热剂量的影响。本研究为生物电磁学实验设计及效应研究提供热剂量学评估基础。

微通道反应器中炔烃的选择性催化半加氢反应研究进展

炔烃选择性催化半加氢反应与石油化工和精细化工生产密切相关,传统上多采用间歇工艺进行,存在自动化程度不高、反应效率低下以及安全隐患等问题。微通道反应器技术的进步使得以连续工艺进行炔烃选择性催化半加氢反应成为可能,有望从根本上解决间歇工艺所存在的问题。鉴于此,总结微通道反应器的类型以及相同反应器类型下催化剂的类别,对近年来微通道反应器中炔烃选择性催化半加氢反应的研究进展进行综述。微通道反应器包括催化毛细管反应器、填充床反应器、蜂窝反应器、独体反应器等,在炔烃选择性催化半加氢反应中的应用促进了石化领域生产技术与工艺的进步。总之,设备的微型化、过程的集成化是顺应可持续发展与高技术发展的需要,微通道反应器技术作为化工过程强化的一种新技术,在化学、化工、能源、环境等领域将会得到广泛的应用。

电解水过程中微电极制备研究进展

电解水过程中产生的气泡会影响电解槽的稳定运行,了解气泡的成核、生长和脱离的规律是对气泡进行有效管理的前提。气泡生长是一个通过相界面的传质过程,从单气泡尺度模拟其演化行为,可以帮助深入理解电极表面气液传质过程,以及气泡的生成对局部流场和浓度场的影响关系,从而实现控制电解槽稳定运行、降低能耗以及提高电流效率等目的。实现单气泡生长行为的可视化,微电极的制备是必不可少的,微电极能够稳定且呈周期性的产生单个气泡。目前制备微电极的方法主要为铂丝嵌入环氧树脂法、光刻和电化学共沉积法、纳米盘电极法和印刷电路板法等,本文对这几种微电极制备方法的研究现状进行了阐述分析,不同学者制备微电极的实验结论存在差异,需要实验进行验证;目前微电极制备技术仍然无法对气泡的成核阶段进行可视化研究。未来,研究在电化学控制下气泡成核过程的可视化,并使用更快的电化学仪器来研究气泡的成核动力学将是重点。

多任务学习方法在神经网络替代火焰面数据库中的应用

为实现神经网络对火焰面模型数据库的高精度替代,以残差神经网络为主体,采用多任务学习方法进行训练,并结合fmFoam求解器以Sandia D扩散火焰为对象,对该方法训练出的神经网络模型精度进行了验证。结果表明:采用多任务学习方法可有效提高神经网络对火焰面数据库的预测精度。相比于仅使用残差神经网络方法,采用多任务学习方法训练的神经网络可将各物理量预测结果的皮尔森系数由0.9990提升至0.9999,对质量占比前10组分预测结果的平均相对误差至少可降低81.1%;基于OpenFOAM对Sandia D火焰进行数值模拟,其计算结果在中心轴线以及各轴向位置的径向线上与传统方法基本一致,仅在反应进度变量源项上存在小范围差异;以传统查表方法为基准,FGM-MTL计算的温度及主要燃烧产物在中心轴线上的峰值相对误差最大为0.98%,峰值位置相对误差最大为2.37%。

G-Eco-AAc/OTF复合层导电水凝胶的制备及在柔性传感领域的应用

导电水凝胶作为一种高性能聚合物材料,被广泛应用于柔性传感器与储能设备等领域。然而,大多数导电水凝胶均为单层结构,且力学性能较弱。而复合层水凝胶可以通过各层之间的结合,进行力学性能上的互补。因此,需要从水凝胶的结构上进行设计,使其具有优异的力学性能,并具有更多功能。在此,通过原位聚合的方式,将石墨烯层、Ecoflex弹性体和AAc/OTF水凝胶进行聚合,制备了一款兼具黏附性能、力学拉伸性能和导电性能的复合层水凝胶G-Eco-AAc/OTF。由于水凝胶表面羧基、羟基和磺酸基团的存在,该水凝胶材料展示了良好的黏附性。将G-Eco-AAc/OTF复合层导电水凝胶应用于运动传感领域,可对手指、手腕、肘部和膝盖处进行信号的监测,并且测试结果稳定。这为下一代可穿戴柔性传感设备奠定了基础。

固体电解质La(1.7)Sm_(0.3)Mo_(2-x)Nb_(x)O_(9-δ)的制备及离子电导性能研究

以氧化镧、氧化钐和氧化钼为原料,采用固相法制备Sm、Nb共掺杂La(1.7)Sm_(0.3)Mo_(2-x)Nb_(x)O_(9-δ)(LSMN,x=0.1~0.6)固体电解质.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外(FT-IR)和电化学阻抗谱对LSMN的微观晶体结构和离子电导率进行表征.研究结果表明,LSMN的晶粒大小在51.6~199.3nm之间.经过700℃煅烧8 h可以成功制备出具有立方结构的超细粉末,粉体具有较高的烧结活性.经过1100℃烧结10 h获得烧结体晶粒结合紧密,晶界清晰,相对密度均在96%以上.电性能分析表明,Nd^(3+)离子的掺杂能够显著提高LSMN的离子电导率;La_(1.7)Sm_(0.3)Mo_(1.6)Nb_(0.4)O_(8.8)经1100℃烧结10 h得到固体电解质,在800℃时离子电导率最大达到3.05×10^(-2)S·cm^(-1),其活化能达1.703 eV.

Mxene基多元材料在光催化产氢中的研究进展

近年来,Mxene由于其优秀的导电性、较高的离子迁移率,合适的带隙等等诸多优势,已被广泛应用于诸多领域。在光催化领域,Mxene可作为一种优秀的助催化剂大幅提高光催化剂的性能。介绍了Mxene的主要合成方法及产氢机理,着重介绍了其在光催化产氢领域的发展,并对Mxene材料在光催化领域的发展进行了展望。

联吡啶类金属配位聚合物对不同有机染料的选择性吸附研究

联吡啶类金属配位聚合物(MOFs)在有机染料吸附中展示出卓越潜力。特别是联吡啶羧酸配体与钌(Ru)离子形成的MOFs,不仅应用在光催化领域,也在吸附分离中表现突出。通过合成不同结构的MOFs,并运用多种分析方法(如X-射线衍射、红外光谱、热重分析等)进行表征。研究着重于这些MOFs对甲基橙、刚果红、罗丹明B等染料的选择性吸附性能,显示出对特定染料的高效吸附和选择性。此外,探讨了金属离子和配体结构对吸附效果的影响,为开发新型吸附材料提供了重要数据。

电磁环境生物效应的分子动力学基础

随着电磁环境越来越复杂,电磁辐射生物效应愈加受到人们的关注,尤其是非热效应的作用至今仍然没有完全搞清楚。文章采用分子动力学模拟方法,研究微波对肌肽(生物活性分子)活性位点碰撞的空间方位和动能的影响,提出了微波后极化效应,以此阐述电磁环境生物效应的分子动力学机理。计算结果表明:随着电场强度的增大,线极化下碰撞总数增加了2.9%~13.3%,而圆极化的碰撞总数增加了2.4%~11.2%;特定空间角度范围内,线极化微波下碰撞的概率最大增加了131.3%,圆极化微波下碰撞的概率最大增加了47.1%。该研究有助于揭示电磁环境生物效应的分子机理。

生物体中的生物磁性纳米粒子及基因调控机制

生物磁性纳米粒子在所有三个生命领域的有机体中存在着,包括在原核生物、古细菌和真核生物中.这些生物体中的生物磁性纳米粒子具有相似的物理化学特性,也随着物种的不同存在着差别.在人体中的正常组织和病变组织中同样存在着生物磁性纳米粒子,这些粒子与其它物种中的生物磁性纳米粒子具有相似性和区别,人体病变组织中生物磁性纳米粒子数量的增多与人类神经退行性病变、癌症和动脉粥样硬化病等疾病有着密切的关系.基于比较基因组学研究方法,科学家认为生物体中生物磁性纳米粒子生物矿化过程有相似的基因调控机制,并给出了预测的基因调控机制模型.本文对以上内容做了简要描述,希望对有关研究提供借鉴.

脉冲电场对细胞膜电穿孔面积的影响研究

目前在实验中通常采用间接的表征参量以衡量细胞电穿孔效应,为了能够在实验中找到一种直接的表征参量,该文提出了电穿孔面积这一新的表征参量及其测量方法。基于分子传输动力学,在脉冲电场下开展了荧光分子染色实验,然后通过对细胞荧光强度曲线进行数据处理,计算出脉冲期间形成的电穿孔面积,并研究了不同脉冲电场参数下的细胞膜电穿孔面积变化规律。结果表明,随着脉冲电场参数增强,细胞荧光强度增大,电穿孔效应增强,计算出的电穿孔面积数值与已有结论吻合,证实了该实验方法的可行性。此外,电穿孔面积随着电场强度、脉冲宽度和脉冲电冲击的增大而线性增大,为脉冲电场临床治疗提供了指导。

基于数字手臂的冲击力扩散机制建模与分析

目的:分析在爆炸冲击与侧向瞬时倾倒时,人体手臂内部的损伤效应。方法:以中国数字人中肩部到指尖的727张影像数据作为数据基础,经过组织分割、三维建模以及逆抄数的方式获得组织结构几何实体,在COMSOL Multiphysics 5.5有限元仿真软件中建立人体前臂损伤机制模型,通过在载荷面加载1.4×10^(6)N/m^(2)的冲击力,响应时间2×10^(-5)s,以此分析前臂受到应力时的冲击力扩散机制。结果:通过建模分析发现,由于皮肤、脂肪、肌肉是粘弹性组织,当机体受到应力冲击时,应力会通过变形的方式将能量释放出来,在应力冲击下这些组织损伤并不明显。然而,由于骨骼是刚性组织,外界施加的能量在此处没法转化成位移消散,从而导致在骨骼处会有大量能量蓄积,骨骼处的应力张量最大。当应力张量超过骨骼最大承受值时,就会引起骨折来进行能量转移。结论:在应力冲击中,由于粘弹性组织可以将应力能量转化成位移来实现能量消散,而刚性组织无法实现,从而导致在应力冲击中,骨骼的损伤是非常明显的。

基于STM32F103的自主肌电控制功能性电刺激的研究与设计

为解决不同患者对于功能性电刺激强度的适应能力和肢体角度的控制,设计了一款自主肌电控制功能性电刺激。该系统以STM32F103为开发平台,对肌电信号进行采集和刺激输出控制。硬件电路包含运算放大电路、全波整流电路、有源滤波电路和电流镜电路等。软件实现通过STM32F103的直接寄存器访问技术、数模转换模块和模数转换模块进行肌电信号峰值探测和刺激信号输出强度控制。测试表明:该系统能够实现肌电峰值探测,并使用肌电信号峰值控制刺激信号动态输出。

基于径向基函数神经网络的肺部加权频差电阻抗成像方法

目的对肺通气过程进行床旁实时连续图像监控,是机械通气患者和临床医生的迫切需求。肺部电阻抗成像(EIT)可反映呼吸引起的胸腔电特性变化分布,在肺通气监测方面具有天然的优势。本文目的在于建立基于径向基函数神经网络(RBFNN)的肺部加权频差电阻抗成像(wfd-EIT)方法,实现对肺通气的高空间分辨率成像。方法利用肺部wfd-EIT成像方法实时描绘胸腔电导率分布状况,再通过RBFNN将目标区域可视化并精准识别其边界信息。首先通过数值分析模拟,在各个激励频率利用COMSOL与MATLAB软件建立2028个仿真样本,分为训练样本集和测试样本集,验证所提出成像方法的可行性和有效性。其次,为了验证仿真结果,建立肺部物理模型,选用具有低电导特性的生物组织模拟肺部通气区域,对其进行成像实验,并采用图像相关系数(ICC)和肺区域比(LRR)定量数据衡量成像方法的准确性。结果wfd-EIT方法可以在任意时刻进行图像重建,并能够准确反映出目标区域的电特性分布;利用基于RBFNN的算法能够增强目标区域的成像精度,ICC可达0.94以上,更好地凸显其边界轮廓信息。结论通过wfd-EIT成像方法,利用多频阻抗谱同步测量实现目标区域的快速可视化,并结合RBFNN网络逼近任意非线性函数的优点,实现对目标区域电特性变化的精准识别,为下一步进行临床肺通气的EIT图像监测奠定了理论和技术基础。

SC双波源脉冲微波相互垂直复合辐照对大鼠重要组织器官生物效应的影响

本文研究了S和C波段双波源沿相互垂直方向同时辐照时,脉冲数对大鼠血液、脑、睾丸、心脏和肝脏组织的影响,并与相同电磁暴露水平条件下的单波源电磁暴露生物效应进行了比较。结果表明:当空间场强幅值为44.84kV/m,脉冲数为2、5、20和200时,辐照组大鼠的血常规、血清睾酮、谷丙转氨酶(Alanine aminotransferase,ALT)和谷草转氨酶(Aspartate aminotransferase,AST)含量等指标与Control组及Sham组相比均未发生明显变化(p>0.05)。辐照组大鼠的脑、睾丸、心脏和肝脏组织形态正常,细胞核面积统计结果及睾丸组织的Johnson评分结果与Control及Sham组相比均无明显差异(p>0.05),没有发现明显的病理损伤。辐照组大鼠4个组织中的促凋亡蛋白Bax的含量均随脉冲数增加呈非线性增加趋势,具有脉冲微波辐照在非热效应下的场效应特征。当脉冲数大于2时,脑和睾丸组织出现了明显的凋亡响应(p?0.05),而心脏和肝脏组织在脉冲数达到20时才出现明显的凋亡响应(p?0.05),这主要是因为脑和睾丸的内场场强幅值(分别为11.3 kV/m和10 kV/m)高于心脏和肝脏组织的内场场强幅值(分别为5.73 kV/m和5.33 kV/m)。在电磁暴露水平基本相同的情况下,复合辐照与两波源单独辐照所产生的凋亡响应之间无显著性差异(p>0.05)。

实验动物体重差异引起的电磁剂量差异和不确定性

本文开展了实验动物体重差异引起的生物电磁剂量差异及不确定性评估研究。利用生物电磁仿真软件和三维数字化模型建立了平面波激励下实验大鼠的电磁剂量仿真环境,研究频段为0.1~6 GHz。结果表明:在体重扰动条件下,实验大鼠的体重和全身平均比吸收率值呈线性关系;在共振频率点以下,线性关系为正相关;在共振频率点以上,线性关系为负相关;在1~6 GHz区域内,线性拟合的拟合度接近于1。对实验大鼠的剂量不确定性进行了探究,提出了一种拟合计算评估法。结合实验设计案例,对拟合计算评估法的计算流程、计算量、评估准确度进行了对比研究,该评估方法具有准确率高、建模计算量小等特点。本研究对于生物电磁学实验设计及剂量评估具有一定的指导意义。