Біотехнічна система лазерного ділення ембріонів у тваринництві

РАЗДЕЛ 2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНО - ТЕПЛОВОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЭМБРИОН
2.1. Особенности динамических процессов при лазерном воздействии на эмбрион
В работах [124, 125, 134 - 135] рассматривались вопросы анализа и синтеза систем, содержащих подвижные локальные источники физического поля. Однако, вопросам моделирования процессов, происходящих в биологических объектах при воздействии на них лазерным источником энергии, уделяется ещё мало внимания. Эти вопросы весьма важны при лазерном делении ранних эмбрионов сельскохозяйственных животных с последующим использованием разделённых частей эмбриона на станциях искусственного осеменения [46, 49, 50, 90, 91, 126].
В процессе решения комплекса задач по обеспечению качества лазерного деления эмбрионов необходимо, прежде всего, уделить особое внимание вопросам анализа лазерно-теплового воздействия на эмбрион и поиска рациональных значений рабочих параметров технических средств, обеспечивающих этот этап технологического процесса.
Задача анализа лазерно-теплового воздействия на эмбрион включает совокупность взаимосвязанных методов и технических средств, основанных на методах физического и математического моделирования, и направленных на обеспечение (поиск) допустимых теплофизических и функциональных параметров, необходимых для получения жизнеспособных частей эмбрионов.
Прежде чем сформулировать постановку задачи анализа, рассмотрим особенности, специфику и принятые допущения, свойственные такому объекту исследования, а именно - эмбриону на который воздействует локальный лазерный источник энергии.
К таким основным теплофизическим особенностям относятся:
1. Эмбрион (рис.2.1) с теплофизической точки зрения представляет собой микробиологический объект с различными коэффициентами теплопроводности: для бластомеров - ; для перивителлированного пространства - ; для оболочки - ; для питательной среды - , то есть имеет место региональная по коэффициенту теплопроводности разнородность. Для проведения численных расчётов возможен переход к однородной среде с . В этом случае возможен приближенный расчёт температурного поля с "превышением", что при контроле непревышения температурным полем в характерних точках эмбриона - оправдано.
2. Эмбрион помещен в канюлю с питательной средой (рис.2.1), которая поддерживается при температуре 370С. Краевые условия на внешней границе эмбриона должны учитывать этот факт.
3. На эмбрион воздействует лазерный источник в виде пятна, если число бластомеров невелико, или отрезка, если число бластомеров 18, 36, или 64. При этом радиус пятна должен быть как можно меньше, чтобы сохранить как можно большее число жизнеспособных бластомеров. Длина источника в виде отрезка равна диаметру сечения эмбриона, ширина по возможности должна быть, как можно уже, чтобы сохранить как можно больше жизнеспособных бластомеров. Ширина h источника значительно меньше диаметра D эмбриона, т.е. h< 4. Лазерный источник воздействует на эмбрион в виде импульса, продолжительности ?. Причем, если скорость перемещения источника в биологической среде (скорость деления эмбриона) равна , то по известному пройденному источником пути, равному диаметру D эмбриона в месте его деления, можно определить продолжительность действия источника: .
5. После кратковременного воздействия лазерного излучения длительностью , оно прекращается и поток тепла от более нагретого места (от границы раздела эмбриона) перетекает в разделенные части эмбриона. Нестационарный процесс распространения тепла в раздельных частях эмбриона будет протекать до тех пор, пока не установится стационарный режим, и части эмбриона будут находиться при температуре Т=370С + ?Т, где 370С - температура питательной среды, в которой находится эмбрион, а ?Т - приращение температуры от кратковременного действия лазерного источника воздействия.
6. Особенность исследуемого объекта, отмеченная в предыдущем пункте, позволяет сделать вывод о том, что для обеспечения жизнеспособности (тепловой устойчивости) разделяемых частей эмбриона необходим особенно тщательный контроль уровня нагрева эмбриона в ближайших к месту раздела точках и в момент времени, соответствующий окончанию времени действия лазерного источника. При этом в подтверждение сказанному следует отметить, что инерционность тепловых процессов такова, что время его переходного процесса , где время действия лазерного импульса.
7. Локальность действия лазерного источника на эмбрион и инерционность тепловых процессов в нем (см. пункт 6) приводит к большим значениям градиента температуры в точках, расположенных близко к месту его воздействия. Это обусловлено также принципом местного влияния в теории теплопроводности или аналогичным принципом Сен-Венана в механике, смысл которого состоит в том, что на расстояниях, больше чем наибольшие линейные размеры области приложения локального источника - изменения поля будут ничтожно малы. Вместе с тем, появление значительных градиентов температурного поля, в области действия источника лазерного излучения на эмбрион, вызывает появление значительных температурных напряжений. Кроме того, эмбрион и его составляющие (бластомеры) не являются абсолютно упругими, в зоне воздействия источника лазерного излучения, то есть не действует закон Гука и положения теории упругих деформаций. При этом температурные напряжения и вызванные ими термодеформации достигают предельных значений и наступает момент пластичности, а затем необратимый процесс разрушения (разрыва) тканей эмбриона, что способствует процессу деления эмбриона на его составляющие. Добавим к этому еще и то, что процентное содержание жидкости в эмбрионе высоко (до 80%), поэтому процессу деления эмбриона способствует еще и активное испарение жидкости в области действия лазерного источника.
Таким образом, энергия лазерного излучения, попадающая на эмбрион, в основном расходуется на: испарение жидкости и термодеформации в точках траектории движения лазерного источника, распространение тепла за счет теплопроводн