以甘油作為保護(hù)劑的豬腎熱物性參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

安 娜 諸 凱 王雅博 王艷嬌

(1天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134;2天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300072)

近年來(lái)，冰溫保存研究引起了眾多學(xué)者的關(guān)注[1-3]。由于大器官(移植)保存的特殊性，貫用的低溫保存方法無(wú)法適宜。將器官置于零度范圍并使保存時(shí)間盡量延長(zhǎng)，是課題的研究目的，其中與保存手段密切相關(guān)的生物熱參數(shù)的研究，就顯得非常重要。研究表明復(fù)雜生物組織在結(jié)冰點(diǎn)間的溫度區(qū)域內(nèi)可以使細(xì)胞活性降低而不致遭到破壞[4]。甘油作為一種滲透性保護(hù)劑，能夠使結(jié)晶過(guò)程延緩，抑制冷凍過(guò)程，緩解冷卻過(guò)程中出現(xiàn)的滲透壓效應(yīng)等，可能使冷凍保護(hù)劑對(duì)生物組織的熱物性產(chǎn)生影響。與此同時(shí)傳熱模型建立的準(zhǔn)確性也依賴于熱物性參數(shù)的正確獲取。與復(fù)雜生物組織相變直接相關(guān)的熱物性參數(shù)主要是導(dǎo)熱率和比熱容。目前，胡[4]、魯[5]以及楊[6]測(cè)得了單一生物組織的冰點(diǎn)、相變潛熱、比熱以及導(dǎo)熱等特性參數(shù)，但甘油的加入對(duì)生物組織物性參數(shù)的影響還不明確。

以豬腎臟組織為研究對(duì)象，采用DSC對(duì)添加低溫保護(hù)劑(甘油)后對(duì)豬腎組織的冰點(diǎn)、比熱、導(dǎo)熱、相變潛熱等四個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)分析研究，為數(shù)值模擬計(jì)算腎臟三維溫度場(chǎng)提供物性參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

新鮮豬腎，將豬腎分別切成大、小塊組織，分別浸泡在甘油(分析純)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、10%、20%、30%、40%、50%六組磷酸鹽緩沖液中待用，放入4℃冰箱中密封保存待用，24h浸泡保證了甘油充分?jǐn)U散到組織中。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

選用TA-Q1000型差示掃描量熱儀(美國(guó)TA公司)，該設(shè)備用高純銦對(duì)儀器進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，用標(biāo)準(zhǔn)材料藍(lán)寶石校準(zhǔn)出熱容。FA114型電子分析天平(上海海康電子儀器廠，精度0.1mg)，Hot Disk TPS2500S型熱常數(shù)分析儀(瑞典凱戈納斯有限公司，精度±3%)，H-TH-1BT可程式恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱(上海千塔機(jī)電科技有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1)取出質(zhì)量為9～14mg的小塊腎組織，用鋁坩鍋壓封后用于DSC實(shí)驗(yàn)，記錄樣品在不同過(guò)程中熱流曲線，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為兩組:

“不預(yù)核處理”組和“預(yù)核處理”(過(guò)冷和再加熱到冰點(diǎn))組，以40%甘油濃度為例，溫度程序?yàn)?

2)取出待用大塊腎組織，濾紙吸去表面多余溶液，將樣品置于恒溫箱中，用于熱常數(shù)分析實(shí)驗(yàn)，記錄樣品在不同溫度下的導(dǎo)熱值。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)核和不預(yù)核過(guò)程的DSC曲線

降溫時(shí)，溶液只有先過(guò)冷到其平衡凍結(jié)點(diǎn)以下的某個(gè)溫度，溶液中的水才開(kāi)始凍結(jié)，溶液的平衡凍結(jié)點(diǎn)與成核溫度之差稱(chēng)為溶液凍結(jié)的過(guò)冷度。預(yù)先成核過(guò)程是指先經(jīng)歷過(guò)冷然后再加熱到冰的融化點(diǎn)溫度[8]，在此溫度下恒溫3min，能保證有少量冰核的存在，經(jīng)歷此過(guò)程后排除了樣品的過(guò)冷影響。選用5℃/min的升降溫速率，可認(rèn)為系統(tǒng)經(jīng)歷準(zhǔn)平衡變化過(guò)程[9]。“預(yù)核”和慢速將保證實(shí)驗(yàn)在降溫過(guò)程中冰晶可以有足夠的時(shí)間充分生長(zhǎng)，有最大化的結(jié)晶過(guò)程[10]。

圖1和圖2為甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)腎組織分別經(jīng)歷“預(yù)核過(guò)程”和“不預(yù)核過(guò)程”相變的DSC熱分析圖。由于受樣品量和升、降溫速率的影響，放熱峰和吸熱峰都有一定的寬度，融化并不是凍結(jié)的逆過(guò)程，融化峰形變寬，其融化潛熱與凍結(jié)潛熱相當(dāng)。圖1、2中組織的凍結(jié)相變溫度分別為－30.59℃、－30.79℃，融化相變溫度分別為－18.01℃、－19.30℃。研究顯示不預(yù)核過(guò)程中水的結(jié)晶溫度和冰的融化溫度略低于預(yù)核過(guò)程的。

圖1 預(yù)核過(guò)程的DSC曲線Fig.1 DSC thermogram with prenucleation

圖2 不預(yù)核過(guò)程的DSC曲線Fig.2 DSC thermogram without prenucleation

2.2 不同甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)冰點(diǎn)和潛熱的影響

不同甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的融化相變溫度和潛熱的DSC數(shù)據(jù)如表1所示，將升溫過(guò)程[7]相變前后基線的切線與吸熱峰所圍成的面積確定為融化潛熱，將相變峰溫確定為冰點(diǎn)。隨著甘油滲透到腎組織及細(xì)胞，融化溫度區(qū)向低溫方向偏移，且峰值逐漸變小。豬腎組織的融化相變區(qū)從 －3.15～－0.22℃偏移至－37.70～－19.80℃。豬腎組織的冰點(diǎn)由最初的－0.53℃(0%)降低到 －26.79℃(50%)，融化潛熱從265.37J/g(0%)降低到82.80J/g(50%)。其主要原因是甘油水合性質(zhì)中的官能團(tuán)(羥基)與水之間以氫鍵的形式鍵合，成為不凍水，使得溶液變得粘稠，從而使水溶液中受擴(kuò)散制約的冰晶生長(zhǎng)過(guò)程變緩;其次隨著甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，占據(jù)了本該參與相變的純水的份額，使凍結(jié)融化過(guò)程中可凍結(jié)融化的水含量減小，其次甘油的添加降低了融化所需能量，改善了腎組織的傳熱條件，這些共同導(dǎo)致了融化潛熱的降低。

表1 不同甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的融化相變溫度和融化潛熱Tab.1 The thawing phase transition temperature and latent heat of porcine kidney with different glycerol mass fraction

2.3 不同甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)表觀比熱值的影響

通過(guò)DSC分析軟件可獲取－80～20℃之間的溫度區(qū)間的表觀比熱值。圖3是甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～50%的腎組織表觀比熱隨溫度變化的曲線。圖3中，當(dāng)甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，由于不同濃度腎組織的冰點(diǎn)不同，在低溫區(qū)(－80℃ ～冰點(diǎn))，隨著溫度的升高，腎組織的表觀比熱值逐漸增大。在融化相變區(qū)，隨溫度升高，組織中的冰晶吸熱融化成液態(tài)水，表觀比熱值隨相變吸熱量的增大而顯著增大，相變的結(jié)束(0℃ ～20℃)，吸熱值逐漸減小，表觀比熱值也顯著減小，逐漸向液態(tài)值靠近。相變結(jié)束后，冰晶完全轉(zhuǎn)變成液態(tài)水，升溫也不在受融化潛熱的影響，隨著溫度升高，表觀比熱值變化不大。

圖4中融化相變區(qū)表觀比熱值從46.28 J/(g·℃)(0%)減小到6.22 J/(g·℃)(50%)，這時(shí)主要取決于融化潛熱的大小。由于甘油的加入，官能團(tuán)羥基與水形成氫鍵轉(zhuǎn)化為結(jié)合水，使參與融化相變的自由水含量減少，從而使融化潛熱隨甘油含量的增加向低溫區(qū)下降。相變前，圖中顯示出甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、10%、20%的表觀比熱值較接近于水在相應(yīng)溫度下的，30%、40%和50%則顯示出較高的表觀比熱值，這與甘油含量越少，可凍結(jié)水率越多，而使表觀比熱值在相同溫度下越接近于水的表觀比熱值[11]道理是一致的。相變后，隨著甘油含量的增加，相同溫度下的表觀比熱值變小，主要是由于水比熱值(4.2 J/(g·℃))和甘油比熱值(2.4 J/(g·℃))的差異有關(guān)，但溫度對(duì)表觀比熱的影響不大。

圖3 不同甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)腎組織的表觀比熱值Fig.3 Apparent specific heat of porcine kidney with differentglycerol mass fraction

圖4 不同甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)及蒸餾水表觀比熱值Fig.4 Apparent specific heat of porcine kidney anddistilled water with different glycerol mass fraction

圖5 不同甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱值Fig.5 Thermal conductivity of porcine kidney with differentglycerol mass fraction

2.4 不同甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

利用熱常數(shù)儀分析軟件，讀取了－40℃ ～20℃之間溫度區(qū)間的導(dǎo)熱系數(shù)，圖5顯示了不同甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱值。當(dāng)甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，腎組織的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的降低而升高，主要是溶液系統(tǒng)中結(jié)晶水比熱隨溫度減小而不斷增大的緣故。隨甘油含量的增加使得曲線下移，這是由于甘油的導(dǎo)熱系數(shù)低和不凍結(jié)水含量的增加造成的。圖中導(dǎo)熱系數(shù)在融化相變區(qū)顯著增大，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以推斷水結(jié)冰的過(guò)程將會(huì)增加導(dǎo)熱值，這也與冰的導(dǎo)熱系數(shù)是水的4倍相一致[5]。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)和已有的兔腎、牛腎皮質(zhì)數(shù)據(jù)[12]比較數(shù)量級(jí)一致。

3 結(jié)論

1)通過(guò)測(cè)量“預(yù)核”和“不預(yù)核”兩種不同程序的腎組織相變的熱流曲線，得到不預(yù)核過(guò)程組織的融化溫度略低于預(yù)核過(guò)程的結(jié)論，組織經(jīng)歷“預(yù)核”過(guò)程后，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性要優(yōu)于“不預(yù)核”過(guò)程。

2)分析了“預(yù)核”過(guò)程中，不同甘油濃度時(shí)冰點(diǎn)和潛熱變化的原因，隨著甘油濃度的增加，融化溫度區(qū)向低溫方向偏移，冰點(diǎn)逐漸降低，潛熱逐漸減小。

3)分析了－80℃ ～20℃溫度區(qū)間內(nèi)表觀比熱值變化的趨勢(shì)，即當(dāng)甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，相變前，隨著溫度的升高，組織的表觀比熱值逐漸增大;相變時(shí)，表觀比熱隨溫度增加顯著增大;相變后，表觀比熱基本不隨溫度變化。相變前，組織的表觀比熱值隨甘油量的增加而增大;相變時(shí)，隨著相變潛熱的降低，組織的表觀比熱值隨甘油量的增加而減小;相變后，隨甘油量的增加，相同溫度下的表觀比熱值減小。

4)分析了－40℃ ～20℃溫度區(qū)間內(nèi)不同甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響，得到了當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的降低而升高，隨甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小的變化規(guī)律。

[1] Soltys K，Batta A，Koneru B.Successful nonfreezing，subzero preservation of rat liver with 2，3 －butanediol and type I antifreeze protein[J].J Surg Res，2001，96(1):30-34.

[2] Matsuda H，Yagi T，Matsuoka J，et al.Subzero Nonfreezing Storage of Isolated Rat Hepatocytes in University of Wisconsin Solution[J].Transplantation，1999，67(1):186-191.

[3] Yoichi Matsui，Tu Wei，Masaki Kaibori，et al.A Novel Conception for Liver Preservation at a Temperature Just Above Freezing Point[J].Journal of Surgical Research，1999，81(2):216-223.

[4] 胡銀平，童明偉，嚴(yán)嘉，等.離體生物組織相變潛熱的DSC 測(cè)試[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(11):62-65.(Hu Yinping，Tong Mingwei，Yan Jia，et al.Measurement for latent heat of tissues in vitro with DSC[J].Journal of Chongqing University(Natural Science Edition)，2006，29(11):62-65.)

[5] 魯長(zhǎng)新，趙思明，熊善柏.鰱魚(yú)肉相變區(qū)間的熱特性研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(6):39-43.(Lu Changxin，Zhao Siming，Xiong Shanbo.Thermophysical properties of silver carp meat during phase transition[J].Transactions of the CSAE，2007，23(6):39-43.)

[6] 諸凱，楊?lèi)?ài)，王雅博，等.腎臟冰溫保存冷灌注過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2010，31(4):644-646.(Zhu Kai，Yang Ai，Wang Yabo，et al.Experimental study on cold irrigation in kidney ice-temperature preservation[J].Journal of engineering thermophysics，2010，31(4):644-646.)

[7] J H Choi，J C Bischof.A quantitative analysis of the thermal properties of porcine liver with glycerol at subzero and cryogenic temperatures[J].Cryobiology，2008，57(2):79-83.

[8] 高才，周?chē)?guó)燕，胥義，等.乙二醇和丙三醇水溶液凍結(jié)特性的研究[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2004，20(2):123-128.(Gao Cai，Zhou Guoyan，Xu Yi，et al.Freezing Properties of EG and glycerol aqueous solutions Studied by DSC[J].Acta Physico-Chimica Sinica，2004，20(2):123-128.)

[9] M L Shepard，C S Goldston，F(xiàn) H Cocks.The H2O –NaCl-glycerol phase diagram and its application in cryobiology[J].Cryobiology，1976，13(1):9-23.

[10] P Boutron.Comparison with the theory of kinetics and extent of ice crystallization and of the glass-forming tendency in aqueous cryoprotective solutions[J].Cryobiology，1986，23(1):88-102.

[11] W B Bald，J Fraser.Cryogenic surgery[R].Reports on Progress in Physics 1982，45(1):1381-1434.

[12] H Zhang，S Cheng，L He，et al.Determination of thermal conductivity of biomaterials in the temperature range 233–313 K using a tiny detector made of a self-heated thermistor[J].Cell Preservation Technology，2002，1(2):141-147.