心臟瓣膜的凍干
ALAIN C進(jìn)行了心臟瓣膜的凍干研究。ALAIN提出瓣膜凍干應(yīng)具備三項(xiàng)功能：第一，應(yīng)該能夠提供多孔結(jié)構(gòu)，以便當(dāng)使用瓣膜將其懸在介質(zhì)中復(fù)水時(shí)，能允許纖維原細(xì)胞迅速進(jìn)入瓣膜內(nèi)部；第二，殺死異源細(xì)胞；第三，保持膠原質(zhì)結(jié)構(gòu)以保證瓣膜的機(jī)械強(qiáng)度。ALAIN的實(shí)驗(yàn)研究中用的是豬的瓣膜，來自屠宰場。豬的平均年齡和重量分別是18周和80kg。心臟瓣膜是在豬死后2h以內(nèi)從心臟上切下來的，瓣膜片在磷酸鹽緩沖液里洗滌三次。葉片在4℃下存儲超過24h。實(shí)驗(yàn)中總共用到了76個(gè)葉片。
心臟瓣膜玻璃化溫度的測定：
將質(zhì)量為20～30mg的一塊瓣膜葉片密封在鋁制器皿中，使用裝配有液氮低溫附件的Perkin-Elmer DSC2儀器測量。以1.25K/min的速度冷卻到173K，在以40K/min的加熱速度過程中，記錄溫度，得到溫度-熱流圖如圖5-22所示。由圖中數(shù)據(jù)得出，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為-83℃。
凍干工藝對凍干心臟瓣膜形狀的影響：
心臟瓣膜的凍干實(shí)驗(yàn)是在一種實(shí)驗(yàn)型快速凍干儀器中進(jìn)行的，其結(jié)構(gòu)如圖5-23所示。
將冷阱浸在硅樹脂油的冷浴中冷卻到-70℃，用旋片泵維持真空度，用麥?zhǔn)嫌?jì)來測量真空度，可以達(dá)到0.005mmHg。
三個(gè)瓣膜葉片用一種單纖維尼龍絲系在一小塊PVC塑料網(wǎng)上，裝在一個(gè)Falcon塑料管中。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)alcon塑料管浸在液氨或控制了溫度的硅樹脂油中，瓣膜葉片在冷空氣環(huán)境下冷凍。冷卻Falcon塑料管的冷浴的溫度為-15℃、-40℃、-80℃或者-196℃。然后，將Falcon塑料管從低溫液體中取出，快速地放入凍干機(jī)的凍干箱里；少數(shù)實(shí)驗(yàn)中瓣膜葉片被直接浸入-60℃或者-80℃的酒精浴冷凍。樣品的凍結(jié)速率數(shù)據(jù)列于表5-13中。在葉片角落里粘有一個(gè)與圖表記錄器相連接0.12mm的銅鎳合金，用于測量溫度。凍干室初始溫度為室溫22℃，然后通過浸在-20℃或-30℃的恒溫浴里控制溫度。之后，自然升溫，此為非控制凍干。
真空干燥連續(xù)進(jìn)行3h，這時(shí)葉片溫度穩(wěn)定在室溫(22℃)。通過SEM對這些葉片的部分進(jìn)行檢查顯示出預(yù)期的多孔結(jié)構(gòu)，如圖5-24所示?？资怯衫鋬鲋行纬珊透稍镏序?qū)除的冰晶體產(chǎn)生的。而且有一個(gè)規(guī)律，冷卻速度越低孔越大[對比圖5-24(a)和(b)]，但不連續(xù)，每個(gè)樣品也不一樣[如圖5-24(b)的例子]。葉片的厚度與冷卻速度有直接聯(lián)系。因?yàn)榇蠖鄶?shù)孔的尺寸顯得比預(yù)期的要小得多，可以嘗試著在干燥前對葉片熔化和再冷凍，這樣可以提高冰孔的尺寸。其他更多的葉片以6℃/min的速度冷卻，在溫度為37℃的水浴里熔化，然后以相同的速度再冷凍，三個(gè)以上再以72℃/min的速度冷卻，但是它們產(chǎn)生了與僅僅經(jīng)過一次冷凍的葉片相似的SEM外形。
另一個(gè)問題就是稠密層的出現(xiàn)，許多樣品表面很顯然沒有孔[見圖5-24(b)]；SEM圖片顯示葉片表面是壓實(shí)的，內(nèi)部孔和外部很少連通[見圖5-24（c）]；在葉片物質(zhì)內(nèi)部同樣出現(xiàn)了緊湊層[見圖5-24(d)]。這些現(xiàn)象顯示了在干燥過程中發(fā)生了廣泛的坍塌，可能是在干燥過程中溫升較快造成的。在處理結(jié)束，葉片的含水量很少，很可能是發(fā)生了熔化和蒸發(fā)，而不是升華。因此后面進(jìn)行了嚴(yán)格的控制冷凍干燥實(shí)驗(yàn)。
在控制冷凍干燥過程中，選擇了兩種冷凍方法：將Falcon試管放在-40℃的冷浴里(平均冷卻速度為6.7℃/min)，或者是放在196℃的液氮里（平均冷卻速度為51℃/min)。將干燥燒瓶放在設(shè)定溫度的冷浴里6h，它的溫度就被控制在-20℃或-30℃；6h后關(guān)掉冷藏室，讓浴溫自動(dòng)上升。測量的溫升速度是0.06～0.08℃/min，從-20℃達(dá)到0℃需要5h，從-30℃到達(dá)0℃需要6.3h?？偟恼婵崭稍飼r(shí)間需要16h，最終溫度為5～11℃。每個(gè)實(shí)驗(yàn)方案凍干了三個(gè)葉片，然后經(jīng)過SEM檢驗(yàn)。從8個(gè)瓣膜里得到的24個(gè)葉片都經(jīng)過相同的處理，在干燥處理過程中或結(jié)束后和再水化后測量水的含量。結(jié)果顯示在-30℃時(shí)的干燥速度是很慢的，20℃時(shí)盡管在那個(gè)階段的最后將干燥時(shí)間從6h延長到12h可以保證水的含量很低，但是它對最后剩余水氣沒有影響。更多的研究是在為-20℃或-30℃溫度下干燥6h的初始干燥后，再以0.06℃/min的加熱速度進(jìn)行第二次干燥，整個(gè)過程需要16h。
SEM照片（見圖5-25）顯示，-20℃干燥的葉片有更好的外觀，多孔基體更統(tǒng)一，沒有坍塌的區(qū)域和厚的、稠密的邊界層?？椎某叨缺确强刂评鋬龈稍锏娜~片看上去大很多[比較圖5-24(a)和圖5-24(b)與圖5-25(a)和圖5-25(b)]。凍結(jié)速率為7℃/min的葉片孔顯得比50℃/min的葉片的孔稍大而且更均勻。-30℃干燥的葉片表面外殼更厚一些，顯示了在第二個(gè)干燥階段中已經(jīng)發(fā)生了坍塌。這是由于在最初的溫度為-30℃干燥6h后，有更高的水含量。所以，起初干燥的溫度最好是-20℃。但是，在兩種情況下，表面都缺乏明顯的與內(nèi)部多孔基體相連通的孔。
為了確定從SEM檢查得到的壓痕數(shù)量，測量了凍干葉片的厚度和孔的尺寸。圖5-26顯示了對兩種冷卻速度的數(shù)據(jù)比較，一種是非控制快速干燥，另一種是-20℃的控制干燥。不考慮干燥方法的影響，快速冷凍后葉片變得更厚了；同樣，不考慮冷卻速度的影響，控制干燥的葉片也更厚了。假如避免了崩塌，對于兩種冷卻速度，沿著垂線方向從內(nèi)流到外流表面的冰孔數(shù)量相似。對分別經(jīng)過1℃/min、5℃/min、25℃/min冷卻速度的冷凍，然后進(jìn)行初始干燥溫度為-20℃的冷凍干燥的葉片，通過SEM測量了其孔的截面積的分布。在兩個(gè)垂直方向上進(jìn)行了表面觀察，第一個(gè)是半徑方向，即從容器表面指向容器中心；第二個(gè)指定的切線方向與第一個(gè)方向成90°，即它與容器表面的切線平
行。結(jié)果如圖5-27所示?？梢钥闯隼鋮s速度(1℃/min)低，凍干樣品冰孔尺度分布廣，而且在斷面的兩個(gè)方向上沒有顯著的差別；冷卻速度快則凍干樣品冰孔尺度分布窄，而且切線方向上比半徑方向上孔徑更大，也就是說，冰晶體形成于切線方向。經(jīng)測量，在兩種冷卻速度下，大多數(shù)冰孔半徑方向上面積為100～350μm2，但是冷卻速度為5℃/min的比25℃/min孔徑稍長，樣本的橫斷面積分別為400μm2和200μm2。凍干工藝為：以5℃/min的冷卻速度，然后在-20℃真空干燥6h，接著在緩慢的加熱過程中進(jìn)行二次干燥，得到的凍干多孔葉片殘余水分為8%～9%，內(nèi)部孔的測量尺寸為100～350μm2。這對橫斷面積為150-200μm2的纖維原細(xì)胞提供了足夠的通道。因此，在后來的所有研究中都采用了上述葉片凍干工藝。
SEM未能回答的問題：“內(nèi)部冰孔與孔之間是互相連通，還是它們是獨(dú)立封閉的？”為了回答這個(gè)問題，干燥前對葉片涂上熒光素，然后再用甲基安息香酸鹽進(jìn)行清洗后對它進(jìn)行顯微鏡共焦掃描(CSM)，結(jié)果顯示它的結(jié)構(gòu)與開放的塑料泡沫相似。不過，SEM和CSM都暗示內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)很少與表面聯(lián)通。圖5-28(a)和(b)顯示了SEM的外觀，流入表面上的凹陷很小(10~20μm),顯得與內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)不連通。CSM同樣揭示了表面的口袋狀結(jié)構(gòu)，盡管橫向連通的可能性不能被完全排除，但是它們似乎是封閉。
然而，當(dāng)葉片被放置在玻璃皿上，大部分流人表面朝上，用1根8×20號手術(shù)針就可以創(chuàng)造出三角形的穿孔，直徑尺寸為75~100μm[見圖5-28(c)和(d)]，穿透了流出表面，孔徑小于10μm。
ALAN的這項(xiàng)研究主要針對的是他提出的凍干瓣膜應(yīng)具備的第一項(xiàng)功能：提供多孔結(jié)構(gòu)，以便當(dāng)使用瓣膜將其懸在介質(zhì)中復(fù)水時(shí)，能允許纖維原細(xì)胞迅速進(jìn)入瓣膜內(nèi)部。
