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20世纪80年代以来，随着生物医学工程技术的发展，各种代血管移植材料被用于心血管疾病外科治疗中。人们长期以来一直在寻找血管的最佳替代品，包括人工材料、生物材料以及复合材料等^[1-3] ，但存在排斥、血栓、内皮细胞增生、破裂、钙化等缺点，其治疗效果仍受到很大限制^[4-8] 。故人工代血管移植体仍不能完全取代人同种冷冻保存血管的地位和作用。
文献对血管冷冻干燥的研究，大多是从医学免疫学角度出发，是为了降低血管移植的抗原性、提高组织适应能力，将冷冻干燥作为一种降低免疫原性的处理方法^[9-10] 。而对血管冷冻干燥保存工艺方面的研究很少。实际上冷冻干燥是个复杂的传热传质过程，预冻降温速率、温度等参数的控制对冻干血管的品质影响很大。因此探索一个适合血管冷冻干燥的工艺流程就显得很有必要。
血管作为循环系统的重要器官，其主要功能是从心脏运输血液到达全身各个组织器官，经过营养成分和氧气等物质的交换，再将血液运输回心脏，如此一直循环运输血液。这样就要求血管能承受一定的压力，具有一定的弹性，耐压性和顺延性^[11-12] 。因此冷冻干燥后对血管的品质检测就显得十分重要。实验使用质构仪测量血管的力学性能指标，以此数据为基础来分析血管的弹性，耐压性和顺应性。对冻干前后血管的力学性能展开分析和评估，从而选择合适的冷冻干燥工艺条件。

冷冻干燥技术也即真空冷冻干燥技术，是指将物料在低温下冻结，然后在接近真空的条件下对物料加热使冰直接升华，即升华干燥过程；当物料中的冰完全升华后，再除去物料中的结合水，即解吸干燥过程^[13] 。
以往的冷冻干燥研究着重探讨冷冻保护剂、降温速率、保存温度等因素，很少涉及预冻速率、一次干燥温度和二次干燥温度的研究。本研究主要探讨了不同预冻速率、一次干燥温度和二次干燥温度对血管力学性能的影响。
预冻过程是通过降温的方式将物料充分冻结，不仅要使物料中的自由水完全结成冰；还要使物料中其他部分也完全固化。冷却固化后的物料实际上既有晶态，又有玻璃态的坚硬网状结构。
物料在预冻过程中温度能否降至其共晶点或玻璃化转变温度以下将直接影响到升华干燥的成功与否。物料在冻结至共晶点温度时已完全形成共晶体，则冷却至共晶点温度以下即可结束预冻过程，否则应冷却至玻璃化转变温度以下。由预实验可知干燥过程中血管的温度最低为-42.9 ℃，若是程序降温仪设置的最终温度过高于此温度，则血管就没有以预先设定的预冻速率完全冻结，转移到冻干机后，就会以浮动的速率继续降温，这样就失去了使用程序降温仪的意义；若是程序降温仪设置的最终温度过低于此温度，则血管预冻后的温度就会较低，转移到冻干机后血管温度必定会在一次干燥之前升高，这样可能会对冷冻干燥效果有影响。
预冻阶段最关键的是降温速率的控制。快速冷冻会使水形成颗粒较多，直径较小的，碎而多的小冰晶；而慢速冷冻会使水形成颗粒较少，直径较大的，少而大的冰^[14] 。一般情况，快速冷冻能使物料在冻结过程中不会过多脱水，并能实现部分玻璃化，但是过快的冷却则会造成细胞的损伤和物料的断裂等现象^[15] 。预冻控制的好坏在一定程度上就决定了冻干后物料品质的好坏。血管作为生物材料，如果降温速率过大，管壁上会出现裂纹^[16] 。这些裂纹在循环系统中经过长期的血液冲击和压迫就会演变成较大的裂缝，造成出血现象，引起临床上严重的病患，甚至给患者带来生命危险。
从不同预冻速率对血管力学性能的影响来看，    1 K/min的降温速率是较合适，这可能是有两个原因引起的。其一，0.5 K/min的降温速率可能较慢，导致血管组织在预冻时细胞长时间暴露于高浓度溶液中，胞内水分大量外渗，造成细胞脱水收缩，从而引起细胞内原生质和细胞器的破坏，进一步对血管组织结构造成一定影响。其二，2 K/min的降温速率对血管组织来说可能较快，导致其在预冻过程中水分渗透过程跟不上降温速率，细胞内的水分来不及外渗就直接形成冰晶，对细胞结构造成物理损伤，进一步对血管组织结构造成一定影响^[17-18] 。从图2d的曲线走势也可以看到，对猪主动脉来说其最佳的降温速率应该0.5~2 K/min之间。
一次干燥主要是去除血管中的自由水，自由水在预冻过程中已完全变成冰，然后经过升华直接变成水蒸汽。一次干燥物料的温度必须低于其最高允许的温度，这个温度一般是物料的共晶点温度或玻璃化转变温度。这样分子的流动性小，能保持物料的稳定，避免出现塌陷现象。在实际过程中物料的玻璃化转变温度随物料溶质浓度的增加呈现递加的趋势，这就意味着升华干燥阶段的加热温度可以逐渐提高，以利于提高升华干燥速率。由于升华干燥实际上是传热、传质同时进行的过程。只有当传递给升华界面的热量等于从升华界面逸出的水蒸汽所需的热量时，升华干燥才能顺利进行。由于物料中的传热，传质过程受到多方面的限制，所以升华过程是很费时的一个过程。
从不同一次干燥温度对血管力学性能的影响来看，-20 ℃的一次干燥温度是较合适。其原因可能是因为血管组织结构的共晶点温度(或玻璃化转变温度)比较低，-20 ℃可能与其比较接近，而过高的温度会造成物料的分子流动性较大，不能保持稳定造成塌陷现象，从而对血管组织结构造成一定影响。从图3d的曲线走势也可以看到，对猪主动脉来说最佳的一次干燥温度可能会比-20 ℃更低。
二次干燥，又称解吸干燥，是在较高温度下加热，使物料中被吸附的部分束缚水解吸，变成自由的液态水，在吸热蒸发成水蒸汽。一次干燥后，在干燥物料的多孔结构表面和极性基团上还吸附有尚未被冻结的结合水。由于吸附的能量很大，因此必须提供较高的温度和足够的热量，才能实现结合水的解吸过程。在二次干燥过程中，物料的温度必须低于其最高允许温度，该温度由物料的性质决定，例如对蛋白质药物，最高允许温度一般低于40 ℃，对果蔬等，最高允许温度可以到60~70 ℃。
第二阶段干燥的目的是除去因吸附等机制存在于物料中的结合水。所以第二阶段的干燥后，物料中的水分应当达到最终要求的剩余含水量，一般最终剩余含水量低于5%。冻干后物料中的剩余水分含量过高或过低都是不利的。剩余含水量过高不利于长期保存；过低也会损伤物料的活性。
图4d从α值来看在10 ℃时血管的力学性能最好，10 ℃的二次干燥温度时，血管的穿刺应力和周向拉伸应力增大幅度最多而轴向拉伸应力减小幅度也是最小的。这可能是由于血管组织在二次干燥时，水分剩余较少，干燥过程对其结构影响不显著。从图4d的曲线走势也可以看到二次干燥温度对冻干复水后血管力学性能影响较小，从其对α轴向拉伸值的影响来看，二次干燥温度设置的比10 ℃低一点可能更好。
冷冻干燥过程中发现一次干燥时间相对较短，可能是因为血管的壁很薄(只有1.0~2.0 mm)，而且是中空的结构，比表面积比较大，样品采用竖直放置，一次干燥时自由水形成的冰晶转化为气相——水蒸汽，其传质面积大，阻力小，从而加快了一次干燥的进行^[19] 。二次干燥过程主要除去样品中的结合水，可能是由于血管外皮和内皮组织阻碍结合水扩散，传质阻力较大，所以二次干燥持续时间较长。
综合考虑3个因素(预冻速率，一次干燥温度，二次干燥温度)对血管冻干复水后生物力学性能的影响，从图2~4中的曲线走势可以看到，预冻速率的影响最大，其次是一次干燥温度，影响最小的是二次干燥温度。这可能是因为：与干燥过程相比，预冻时降温速率会引起了血管组织结构的较大变化。实验数据分析得到血管冷冻干燥合适的预冻速率为1 K/min，一次干燥温度为   -20 ℃，二次干燥温度为10 ℃。血管冻干后复水，其力学性能同新鲜血管相比，穿刺和周向拉伸应力分别增大20%和30%左右，轴向拉伸应力减小约20%，基本保持了血管的弹性，耐压性和顺应性。在后续实验中将进行动物移植实验，从而观察移植后血管功能效果及可能出现的问题，将会有更好的指导意义。

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