Two-phase Flow in Fuel Cells in Short-term Microgravity Condition

A visual observation of liquid-gas two-phase flow in anode channels of a direct methanol proton exchange membrane fuel cells in microgravity has been carried out in a drop tower. The anode flow bed consisted of 2 manifolds and 11 parallel straight channels. The length, width and depth of single channel with rectangular cross section was 48.0 mm, 2.5 mm and 2.0 mm, respectively. The experimental results indicated that the size of bubbles in microgravity condition is bigger than that in normal gravity. The longer the time, the bigger the bubbles. The velocity of bubbles rising is slower than that in normal gravity because buoyancy lift is very weak in microgravity. The flow pattern in anode channels could change from bubbly flow in normal gravity to slug flow in microgravity. The gas slugs blocked supply of reactants from channels to anode catalyst layer through gas diffusion layer. When the weakened mass transfer causes concentration polarization, the output performance of fuel cells declines.

Two-Phase Flow In Anode Flow Field Of A Small Direct Methanol Fuel Cell In Different Gravities

An in-situ visualization of two-phase flow inside anode flow bed of a small liquid fed direct methanol fuel cells in normal and reduced gravity has been conducted in a drop tower. The anode flow bed consists of 11 parallel straight channels. The length, width and depth of single channel, which had rectangular cross section, are 48.0, 2.5 and 2.0 mm, respectively. The rib width was 2.0 mm. The experimental results indicated that when the fuel cell orientation is vertical, two-phase flow pattern in anode channels can evolve from bubbly flow in normal gravity into slug flow in microgravity. The size of bubbles in the reduced gravity is also bigger. In microgravity, the bubbles rising speed in vertical channels is obviously slower than that in normal gravity. When the fuel cell orientation is horizontal, the slug flow in the reduced gravity has almost the same characteristic with that in normal gravity. It implies that the effect of gravity on two-phase flow is small and the bubbles removal is governed by viscous drag. When the gas slugs or gas columns occupy channels, the performance of liquid fed direct methanol fuel cells is failing rapidly. It infers that in long-term microgravity, flow bed and operating condition should be optimized to avoid concentration polarization of fuel cells.

Two-phase flow and pool boiling heat transfer in microgravity

Researches on two-phase flow and pool boiling heat transfer in microgravity, which included groundbased tests, flight experiments, and theoretical analyses, were conducted in the National Microgravity Laboratory/CAS. A semi-theoretical Weber number model was proposed to predict the slug-to-annular flow transition of two-phase gas–liquid flows in microgravity, while the influence of the initial bubble size on the bubble-to-slug flow transition was investigated numerically using the Monte Carlo method. Two-phase flow pattern maps in microgravity were obtained in the experiments both aboard the Russian space station Mir and aboard IL-76 reduced gravity airplane. Mini-scale modeling was also used to simulate the behavior of microgravity two-phase flow on the ground. Pressure drops of two-phase flow in microgravity were also measured experimentally and correlated successfully based on its characteristics. Two space experiments on pool boiling phenomena in microgravity were performed aboard the Chinese recoverable satellites. Steady pool boiling of R113 on a thin wire with a temperature-controlled heating method was studied aboard RS-22, while quasi-steady pool boiling of FC-72 on a plate was studied aboard SJ-8. Ground-based experiments were also performed both in normal gravity and in short-term microgravity in the drop tower Beijing. Only slight enhancement of heat transfer was observed in the wire case, while enhancement in low heat flux and deterioration in high heat flux were observed in the plate case. Lateral motions of vapor bubbles were observed before their departure in microgravity. The relationship between bubble behavior and heat transfer on plate was analyzed. A semi-theoretical model was also proposed for predicting the bubble departure diameter during pool boiling on wires. The results obtained here are intended to become a powerful aid for further investigation in the present discipline and development of two-phase systems for space applications.

A Simple Model For Predicting The Void Fraction Of Gas/Non-Newtonian Fluid Intermittent Flows In Upward Inclined Pipes

In this work, a simple correlation, which incorporates the mixture velocity, drift velocity, and the correction factor of Farooqi and Richardson, was proposed to predict the void fraction of gas/non-Newtonian intermittent flow in upward inclined pipes. The correlation was based on 352 data points covering a wide range of flow rates for different CMC solutions at diverse angles. A good agreement was obtained between the predicted and experimental results. These results substantiated the general validity of the model presented for gas/non-Newtonian two-phase intermittent flows.

非洲爪蟾Nkx6.3在原肠运动和神经嵴诱导调控中的功能及爪蟾神经管腹侧图式形成的研究

神经嵴（neural crest）是一类脊椎动物特有的多潜能迁移细胞。这一类细胞历经“表皮—间充质”转换（EMT），与神经管背侧的其它细胞分离，经由不同路线迁移，定位于胚胎外周各处，后分化为不同的细胞类型包括外周神经系统、颅面骨骼系统及色素细胞等。神经嵴的发育是一个多途径多步骤的过程，受多种信号通路及转录因子调控。这些调控因子相互调节形成精密网络，可被划分为三个主要层次类群：分泌性信号分子（BMP、Wnt、FGF、Delta）、神经板边界特异基因（Msx、Pax3/7、 Zic1、Dlx3/5）、神经嵴特异基因（Snail/Slug、AP-2、FoxD3、Twist、Id、cMyc、Sox9/10）。本文第一章主要概述不同组织来源的各种分泌信号在神经嵴诱导中的作用以及他们之间的整合调控。 Nkx6家族蛋白是一类进化上保守的转录因子，在脊椎动物中枢神经系统（CNS)的图式形成和胰腺的发育中有重要作用。在第二章，我们描述了非洲爪蟾中Nkx6家族基因的克隆及其表达图式。与小鼠和鸡中的同源基因类似，爪蟾的Nkx6家族基因在胚胎发育过程中主要表达于中枢神经系统和前部内胚层组织。其中Nkx6.1和Nkx6.2在神经胚期神经板表达重合，晚期都表达于后脑和脊髓的腹侧。Nkx6.3从卵裂期到神经胚早期都表达于非神经外胚层，而尾芽期表达于后脑后部和腮弓。在内胚层中，Nkx6.2在尾芽期表达于底索。在蝌蚪期，Nkx6家族的三个基因分别表达于前部内胚层的衍生物，包括胰腺、胃、食道和肺。 Nkx6.3是最近发现的Nkx6家族新成员，它在爪蟾中的表达与Nkx6.1和Nkx6.2有了较大分歧。在第三章，我们通过功能获得及功能缺失实验来探讨Nkx6.3在爪蟾早期发育中的功能。我们发现原肠期前过量或抑制Nkx6.3表达都会影响胚胎原肠运动的正常进行。我们通过动物帽延伸实验证明Nkx6.3参与了细胞运动。半定量RT-PCR结果显示，Nkx6.3可以调控一些粘附分子的表达。以上结果说明Nkx6.3通过调控粘附分子的转录而参与细胞运动的调控。我们还发神经嵴（neural crest）是一类脊椎动物特有的多潜能迁移细胞。这一类细胞历经“表皮—间充质”转换（EMT），与神经管背侧的其它细胞分离，经由不同路线迁移，定位于胚胎外周各处，后分化为不同的细胞类型包括外周神经系统、颅面骨骼系统及色素细胞等。神经嵴的发育是一个多途径多步骤的过程，受多种信号通路及转录因子调控。这些调控因子相互调节形成精密网络，可被划分为三个主要层次类群：分泌性信号分子（BMP、Wnt、FGF、Delta）、神经板边界特异基因（Msx、Pax3/7、 Zic1、Dlx3/5）、神经嵴特异基因（Snail/Slug、AP-2、FoxD3、Twist、Id、cMyc、Sox9/10）。本文第一章主要概述不同组织来源的各种分泌信号在神经嵴诱导中的作用以及他们之间的整合调控。 Nkx6家族蛋白是一类进化上保守的转录因子，在脊椎动物中枢神经系统（CNS)的图式形成和胰腺的发育中有重要作用。在第二章，我们描述了非洲爪蟾中Nkx6家族基因的克隆及其表达图式。与小鼠和鸡中的同源基因类似，爪蟾的Nkx6家族基因在胚胎发育过程中主要表达于中枢神经系统和前部内胚层组织。其中Nkx6.1和Nkx6.2在神经胚期神经板表达重合，晚期都表达于后脑和脊髓的腹侧。Nkx6.3从卵裂期到神经胚早期都表达于非神经外胚层，而尾芽期表达于后脑后部和腮弓。在内胚层中，Nkx6.2在尾芽期表达于底索。在蝌蚪期，Nkx6家族的三个基因分别表达于前部内胚层的衍生物，包括胰腺、胃、食道和肺。 Nkx6.3是最近发现的Nkx6家族新成员，它在爪蟾中的表达与Nkx6.1和Nkx6.2有了较大分歧。在第三章，我们通过功能获得及功能缺失实验来探讨Nkx6.3在爪蟾早期发育中的功能。我们发现原肠期前过量或抑制Nkx6.3表达都会影响胚胎原肠运动的正常进行。我们通过动物帽延伸实验证明Nkx6.3参与了细胞运动。半定量RT-PCR结果显示，Nkx6.3可以调控一些粘附分子的表达。以上结果说明Nkx6.3通过调控粘附分子的转录而参与细胞运动的调控。我们还发现，在爪蟾胚胎中Nkx6.3的过表达或抑制表达都导致神经嵴标记基因表达降低。进一步研究发现，32细胞期在不同部位注射Nkx6.3 mRNA可以异位诱导或抑制Slug的表达。动物帽实验显示，Nkx6.3单独过表达可以诱导神经嵴发生，而迄今为止转录因子中只有Snail1具有这一单独诱导能力。在爪蟾胚胎及动物帽中，过表达Nkx6.3都可以诱导Fgf8、Wnt8而抑制BMP4的转录，而且Nkx6.3对这些分泌因子的调控方式是不同的。4细胞期过表达Nkx6.3的胚胎，在促进Fgf8和Wnt8而抑制BMP4的同时，却抑制神经板边界特异基因Msx1、Pax3和神经嵴特异基因Slug的表达，说明Nkx6.3对神经嵴的诱导调控在神经板边界基因层次还存在抑制作用。32细胞过表达Nkx6.3会细胞自主性抑制以及细胞非自主诱导Msx1、Pax3、Slug的表达。Nkx6.3异位诱导Dlx5却抑制Dlx3的表达，说明Dlx5可能是Nkx6.3负调控的直接靶基因。由此，我们提出Nkx6.3的神经嵴诱导调控分为两个层次：分泌信号分子水平的正调控和神经板边界决定水平的负调控。在脊椎动物的神经发生过程中，神经管背腹不同层次形成不同的神经元。这些神经元细胞的命运由背腹起源的多种形态发生素决定。形态发生素通过浓度梯度确定了一组转录因子在神经管背腹不同层次的特异表达，这些基因的组合调控决定了神经前体细胞的命运。然而，这些转录因子是如何解读形态发生素梯度信号的还不是很清楚。第四章，我们通过对神经管腹侧特异表达的转录因子的调控区进行预测，确定了可能调控这些基因表达的保守区段。此外，我们改进了爪蟾转基因操作，并用这一技术确证了Nkx6.2的调控区域。Dbx1、Nkx2.2及Pax6的转录调控区已在小鼠或爪蟾中报道过。由此我们得到了两对在神经管背腹图式中相互作用的转录因子的调控区域：Nkx6.2和Dbx1、Nkx2.2和Pax6。通过对Nkx6.2和Dbx1的调控保守区的转录因子结合位点的预测，我们发现这四个基因以及Wnt信号之间存在大量的相互调控。然而在这两个基因的调控区，我们没有发现Gli的调控位点，暗示这两个基因可能不受Shh的直接调控。我们还克隆了Dbx家族的两个基因，并检测了它们的时空特异性表达，发现Dbx2是母源性表达的，而Dbx1是合子型基因。这两个基因的表达图式相似，都在神经板中线两侧成线状表达，尾芽期在神经管中部表达。过表达Dbx2抑制神经元的初级分化，说明它可能与Dbx1一样具有维持神经板细胞未分化状态的功能。Dbx2的过表达还抑制Nkx6.2及Dbx1的表达，说明它们可能一起参与了神经管腹侧图式的调控。

RNF220，HCA127和ASPP2在神经系统发育中的功能研究

蛋白质降解对细胞生命活动的调节起着非常重要的作用，而泛素－蛋白酶体系统 （UPS）负责调控细胞内大部分蛋白的降解。UPS 与神经系统的功能有着密切的联系， 它可以控制神经的生长发育、调节突触的可塑性与功能，而其功能异常时会导致多种 神经退行性疾病。因此，在神经系统中研究泛素－蛋白酶体系统具有重要的生物学和 医学意义。 我们在非洲爪蟾大规模原位杂交中鉴定到一个在神经管腹侧特异表达的基因 xRNF220-like。同时我们也克隆了小鼠的mRNF220 和爪蟾的xRNF220 基因。它们都 在神经管的腹侧表达，且蛋白都具有E3 泛素连接酶的活性。为了寻找其降解的底物， 我们通过酵母双杂交技术进行筛选。我们发现mRNF220 可以与Sin3B 蛋白结合。进 一步实验发现Sin3B 受到UPS 的调控。而mRNF220 可以促进Sin3B 的泛素化修饰与 降解。在爪蟾胚胎中通过morpholino 阻断xRNF220-like 和Sin3B 的功能都可以导致 神经发育的异常。因此，在神经系统中mRNF220 可能通过控制Sin3B 的蛋白水平来 调节Sin3/HDAC 转录抑制复合体的活性，进而调节神经相关基因的表达。 我们还发现了一个可以与RNF220 及RNF220-like 结合的新基因HCA127。 HCA127 在进化上非常保守，在早期胚胎中特异地表达在神经管位置。在胚胎中阻断 其功能会影响神经的诱导与分化。生化实验表明HCA127 并不能被泛素化修饰。通 过对HCA127 进行酵母双杂交筛选我们发现它跟多个RING 泛素连接酶有相互作用， 还可以与一些泛素化通路中的调节蛋白结合，提示它可能是UPS 中的调节蛋白。将 其转染细胞发现可以降低细胞的泛素化水平。因此，HCA127 在神经系统中可能通过 调节蛋白的泛素化修饰来发挥功能。我们还对ASPP2 基因在早期发育中的功能进行了初步研究。ASPP2 可以促进p53 介导的细胞凋亡，并在体内抑制肿瘤的发生，但其在早期发育中的功能仍不清楚。我 们发现ASPP2 在神经系统有非常强的表达。阻断其功能可以导致眼睛、体轴和头部 的异常，并影响细胞增殖，还可以抑制神经分化标记基因N-tubulin 和神经嵴标记基 因Slug 的表达。我们初步揭示了ASPP2 在早期神经发育的功能。

非洲爪蛙分泌型叶酸结合蛋白及NKX6.3在早期胚胎神经发育中的功能研究

叶酸是B族维生素的一员，参与体内一系列重要的生命过程包括DNA，氨基酸的合成，调控细胞周期，参与一碳单位供体循环，调节DNA,蛋白质甲基化等。叶酸的许多功能都和叶酸结合蛋白有关，体内有多种跨膜形式的叶酸结合蛋白，比如Folbp1，RFC，HCP等。以前的研究表明这些不同的叶酸结合蛋白具有不同的功能。分泌型叶酸结合蛋白是另外一类叶酸结合蛋白，在人类，小鼠，猪中都有序列报道，但是其功能却知之甚少。 我们在非洲爪蛙中鉴定出一个全新的分泌型叶酸结合蛋白并命名为Secreted Folate Binding Protein(sFBP)。在胚胎和转染细胞系中我们都证明该蛋白是分泌性的，表面等离子共振实验发现sFBP能够结合叶酸。在胚胎早期这个基因表达于粘液腺和神经板区域，神经管闭合后在神经管、粘液腺、眼睛，头部以及鳃弓都有表达。特异morpholino 阻断sFBP翻译后发现粘液腺发育异常，神经管闭合缺陷，前后体轴聚集延伸运动受到抑制，尾芽期胚胎表现出体轴缩短，无眼，小头或无头的表型。进一步研究发现显微注射sFBP morpholino 的胚胎神经板区域细胞发生凋亡，中胚层和神经外胚层的一系列粘附分子表达异常，神经细胞的正常分化也受到抑制。通过显微移植实验我们还发现抑制sFBP的翻译后，神经嵴细胞的正常分化和迁移都受到抑制。但是，显微注射叶酸及其类似物或者显微注射甲基供体S-腺苷甲硫氨酸或者亮氨酸甲基转移酶都不能挽救阻断sFBP造成的表形，由此提示sFBP可能不是通过叶酸传统的参与营养合成或者甲基化的途径发挥作用。我们发现注射sFBP morpholino可以抑制Islet-1mRNA和蛋白质的表达，Islet-1的表达区域与sFBP类似。共同注射Islet-1 mRNA和sFBP morpholino可以极大的挽救sFBP morpholino的表型。最后通过morpholino特异阻断Islet-1的表达后，我们发现其表现出与sFBP morpholino类似的粘液腺发育缺陷，神经板细胞凋亡，小头无眼的表形。由此叶酸是B族维生素的一员，参与体内一系列重要的生命过程包括DNA，氨基酸的合成，调控细胞周期，参与一碳单位供体循环，调节DNA,蛋白质甲基化等。叶酸的许多功能都和叶酸结合蛋白有关，体内有多种跨膜形式的叶酸结合蛋白，比如Folbp1，RFC，HCP等。以前的研究表明这些不同的叶酸结合蛋白具有不同的功能。分泌型叶酸结合蛋白是另外一类叶酸结合蛋白，在人类，小鼠，猪中都有序列报道，但是其功能却知之甚少。 我们在非洲爪蛙中鉴定出一个全新的分泌型叶酸结合蛋白并命名为Secreted Folate Binding Protein(sFBP)。在胚胎和转染细胞系中我们都证明该蛋白是分泌性的，表面等离子共振实验发现sFBP能够结合叶酸。在胚胎早期这个基因表达于粘液腺和神经板区域，神经管闭合后在神经管、粘液腺、眼睛，头部以及鳃弓都有表达。特异morpholino 阻断sFBP翻译后发现粘液腺发育异常，神经管闭合缺陷，前后体轴聚集延伸运动受到抑制，尾芽期胚胎表现出体轴缩短，无眼，小头或无头的表型。进一步研究发现显微注射sFBP morpholino 的胚胎神经板区域细胞发生凋亡，中胚层和神经外胚层的一系列粘附分子表达异常，神经细胞的正常分化也受到抑制。通过显微移植实验我们还发现抑制sFBP的翻译后，神经嵴细胞的正常分化和迁移都受到抑制。但是，显微注射叶酸及其类似物或者显微注射甲基供体S-腺苷甲硫氨酸或者亮氨酸甲基转移酶都不能挽救阻断sFBP造成的表形，由此提示sFBP可能不是通过叶酸传统的参与营养合成或者甲基化的途径发挥作用。我们发现注射sFBP morpholino可以抑制Islet-1mRNA和蛋白质的表达，Islet-1的表达区域与sFBP类似。共同注射Islet-1 mRNA和sFBP morpholino可以极大的挽救sFBP morpholino的表型。最后通过morpholino特异阻断Islet-1的表达后，我们发现其表现出与sFBP morpholino类似的粘液腺发育缺陷，神经板细胞凋亡，小头无眼的表形。由此我们认为sFBP结合叶酸后可能通过细胞膜上的受体传递信号，并且Islet-1可能在sFBP的下游发挥作用。 神经嵴是脊椎动物特有的一群多潜能干细胞，产生于表皮和神经板的边界，在原肠运动之后这群细胞通过表皮间充值转换从神经管背侧迁移到不同的区域，分化成不同的细胞类型，包括外周神经系统，色素细胞，软骨等。神经嵴的发生是一个多步骤多基因参与的精细调控过程。目前理论认为最初由一些分泌性信号分子又叫形态生成素比如BMP,Wnt，FGF，Notch等通过不同浓度梯度的相互作用调节一组在表皮和神经板边界的转录因子（Msx、Pax3/7、Zic1、Dlx3/5等）的表达，即边界决定。这些边界决定因子进一步在预定形成神经嵴的区域激活神经嵴特化基因比如Slug/Snail、FoxD3、Twist、Sox9/10的表达完成神经嵴的特化（Specification）。 Nkx6.3是Nkx6家族的一个转录因子，RT-PCR显示其呈现母源性表达。特异抗体显示Nkx6.3蛋白第9期在整个胚胎都表达，大部分蛋白集中在细胞核，有少部分蛋白定位于细胞膜上；神经板时期主要定位于神经嵴区域的细胞膜上。过表达Nkx6.3会影响细胞粘连分子的表达，由此干扰正常的胚胎原肠运动和Activin诱导的动物帽聚集延伸运动。显微注射Nkx6.3特异morpholino阻断其蛋白表达会抑制神经嵴的marker基因Wnt8，Fgf8，Pax3，Msx1，Zic1，FoxD3，Slug的转录，阻碍神经嵴的发育。在动物帽中单独注射Nkx6.3可以在mRNA水平上诱导Wnt8、Fgf8另一方面抑制BMP4的表达进而诱导神经嵴基因Pax3，Zic1，Slug的表达。报告基因实验也显示Nkx6.3能够激活Wnt信号而在动物帽中抑制BMP信号。Nkx6.3蛋白功能域分析发现其EH1结构域（domain）参与对Wnt8信号的激活，而EH1结构域和HD结构域之间的连接区域（linker domain）参与对FGF的激活和对BMP的抑制。进一步在动物帽和胚胎中分析发现Nkx6.3对Wnt8的激活依赖于FGF家族受体信号但是不依赖于Fgf8。有趣的是4细胞时期过表达Nkx6.3促进Fgf8和Wnt8 mRNA表达，但是抑制边界决定基因Msx1、Pax3和神经嵴特化基因Slug的转录。在32细胞时期显微注射Nkx6.3可以在内源神经嵴发生区域抑制Slug的表达，而异位却诱导Slug的mRNA。我们发现与动物帽中对BMP的调节不同，在胚胎中，过表达Nkx6.3会强烈的激活Smad1蛋白在细胞核中的表达即BMP信号被激活，高的BMP信号会抑制神经嵴的发生。另外我们发现过表达Nkx6.3在胚胎中抑制Dlx5而在动物帽中却不影响Dlx5的表达水平，Morpholino阻断Dlx5会抑制Msx1、Pax3和Slug的表达。BMP信号和Dlx5在动物帽和在整体胚胎中对Nkx6.3的不同响应可以一定程度上解释过表达Nkx6.3在2个系统中对神经嵴基因Slug相反的影响结果。