以甘油作為保護劑的豬腎熱物性參數(shù)實驗研究

安 娜 諸 凱 王雅博 王艷嬌

(1天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134;2天津大學環(huán)境科學與工程學院 天津 300072)

近年來，冰溫保存研究引起了眾多學者的關注[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法適宜。將器官置于零度范圍并使保存時間盡量延長，是課題的研究目的，其中與保存手段密切相關的生物熱參數(shù)的研究，就顯得非常重要。研究表明復雜生物組織在結冰點間的溫度區(qū)域內(nèi)可以使細胞活性降低而不致遭到破壞[4]。甘油作為一種滲透性保護劑，能夠使結晶過程延緩，抑制冷凍過程，緩解冷卻過程中出現(xiàn)的滲透壓效應等，可能使冷凍保護劑對生物組織的熱物性產(chǎn)生影響。與此同時傳熱模型建立的準確性也依賴于熱物性參數(shù)的正確獲取。與復雜生物組織相變直接相關的熱物性參數(shù)主要是導熱率和比熱容。目前，胡[4]、魯[5]以及楊[6]測得了單一生物組織的冰點、相變潛熱、比熱以及導熱等特性參數(shù)，但甘油的加入對生物組織物性參數(shù)的影響還不明確。

以豬腎臟組織為研究對象，采用DSC對添加低溫保護劑(甘油)后對豬腎組織的冰點、比熱、導熱、相變潛熱等四個參數(shù)進行檢測，通過分析研究，為數(shù)值模擬計算腎臟三維溫度場提供物性參數(shù)。

1 實驗研究

1.1 實驗材料

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)質量分數(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擴散到組織中。

1.2 實驗設備

選用TA-Q1000型差示掃描量熱儀(美國TA公司)，該設備用高純銦對儀器進行溫度校準，用標準材料藍寶石校準出熱容。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可程式恒溫恒濕實驗箱(上海千塔機電科技有限公司)。

1.3 實驗方法

1)取出質量為9～14mg的小塊腎組織，用鋁坩鍋壓封后用于DSC實驗，記錄樣品在不同過程中熱流曲線，將實驗過程分為兩組:

“不預核處理”組和“預核處理”(過冷和再加熱到冰點)組，以40%甘油濃度為例，溫度程序為:

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)分析實驗，記錄樣品在不同溫度下的導熱值。

2 結果與分析

2.1 預核和不預核過程的DSC曲線

降溫時，溶液只有先過冷到其平衡凍結點以下的某個溫度，溶液中的水才開始凍結，溶液的平衡凍結點與成核溫度之差稱為溶液凍結的過冷度。預先成核過程是指先經(jīng)歷過冷然后再加熱到冰的融化點溫度[8]，在此溫度下恒溫3min，能保證有少量冰核的存在，經(jīng)歷此過程后排除了樣品的過冷影響。選用5℃/min的升降溫速率，可認為系統(tǒng)經(jīng)歷準平衡變化過程[9]。“預核”和慢速將保證實驗在降溫過程中冰晶可以有足夠的時間充分生長，有最大化的結晶過程[10]。

圖1和圖2為甘油質量分數(shù)為40%時腎組織分別經(jīng)歷“預核過程”和“不預核過程”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，融化并不是凍結的逆過程，融化峰形變寬，其融化潛熱與凍結潛熱相當。圖1、2中組織的凍結相變溫度分別為－30.59℃、－30.79℃，融化相變溫度分別為－18.01℃、－19.30℃。研究顯示不預核過程中水的結晶溫度和冰的融化溫度略低于預核過程的。

圖1 預核過程的DSC曲線Fig.1 DSC thermogram with prenucleation

圖2 不預核過程的DSC曲線Fig.2 DSC thermogram without prenucleation

2.2 不同甘油質量分數(shù)對冰點和潛熱的影響

不同甘油質量分數(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。隨著甘油滲透到腎組織及細胞，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中的官能團(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散制約的冰晶生長過程變緩;其次隨著甘油質量分數(shù)的增加，占據(jù)了本該參與相變的純水的份額，使凍結融化過程中可凍結融化的水含量減小，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，這些共同導致了融化潛熱的降低。

表1 不同甘油質量分數(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 不同甘油質量分數(shù)對表觀比熱值的影響

通過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是甘油質量分數(shù)為10%～50%的腎組織表觀比熱隨溫度變化的曲線。圖3中，當甘油質量分數(shù)一定時，由于不同濃度腎組織的冰點不同，在低溫區(qū)(－80℃ ～冰點)，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。相變結束后，冰晶完全轉變成液態(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%)，這時主要取決于融化潛熱的大小。由于甘油的加入，官能團羥基與水形成氫鍵轉化為結合水，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，圖中顯示出甘油質量分數(shù)為0%、10%、20%的表觀比熱值較接近于水在相應溫度下的，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，但溫度對表觀比熱的影響不大。

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

圖4 不同甘油質量分數(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 不同甘油質量分數(shù)的導熱值Fig.5 Thermal conductivity of porcine kidney with differentglycerol mass fraction

2.4 不同甘油質量分數(shù)對導熱系數(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)間的導熱系數(shù)，圖5顯示了不同甘油質量分數(shù)的導熱值。當甘油質量分數(shù)一定時，腎組織的導熱系數(shù)隨溫度的降低而升高，主要是溶液系統(tǒng)中結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，這是由于甘油的導熱系數(shù)低和不凍結水含量的增加造成的。圖中導熱系數(shù)在融化相變區(qū)顯著增大，由實驗數(shù)據(jù)可以推斷水結冰的過程將會增加導熱值，這也與冰的導熱系數(shù)是水的4倍相一致[5]。實驗所得數(shù)據(jù)和已有的兔腎、牛腎皮質數(shù)據(jù)[12]比較數(shù)量級一致。

3 結論

1)通過測量“預核”和“不預核”兩種不同程序的腎組織相變的熱流曲線，得到不預核過程組織的融化溫度略低于預核過程的結論，組織經(jīng)歷“預核”過程后，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性要優(yōu)于“不預核”過程。

2)分析了“預核”過程中，不同甘油濃度時冰點和潛熱變化的原因，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，即當甘油質量分數(shù)一定時，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，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，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)不同甘油質量分數(shù)對導熱系數(shù)的影響，得到了當質量分數(shù)一定時，導熱系數(shù)隨溫度的降低而升高，隨甘油質量分數(shù)的增加，導熱系數(shù)逐漸減小的變化規(guī)律。

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