Tinh trùng là một tế bào sống, vận ựộng ngoài cơ thể, rất mẫn cảm với sự thay ựổi của ựiều kiện môi trường xung quanh. Trong q trình ựơng lạnh tinh dịch, ngoài việc dựa vào ngun lý lý học, hóa học cịn phải dựa vào nguyên lý sinh học và mối tương tác của chúng sao cho tinh trùng khi ựông băng vẫn giữ nguyên hình thái, trao ựổi chất tạm ngừng và sau khi giải ựơng tinh trùng vẫn hoạt ựộng bình thường (Ditto, 1992 [45]; Nguyễn Xuân Hoàn, 1994 [19]).
2.1.4.1. Hiện tượng ựông băng chất lỏng
Khi một chất lỏng ựược làm lạnh, q trình ựơng băng xảy ra, quá trình này gồm các giai ựoạn: Tiền ựông băng (supercooling), tạo nhân (nucleation), giãn nở của tinh thể băng (growth of ice crystals) và kết tinh hoàn thiện tại một nhiệt ựộ nhất ựịnh (eutectic point), diễn biến nhiệt ựộ trong q trình ựơng băng theo ựồ thị như hình số 9.
Hình 2.9. Q trình ựơng lạnh dung dịch (Hiroshi, 1992) [49]
a. Hiện tượng tiền ựông băng
Khi làm lạnh một chất lỏng nếu tốc ựộ làm lạnh chậm, nhiệt ựộ của chất lỏng hạ xuống ựiểm ựơng băng, thậm chắ cịn xuống thấp dưới ựiểm ựông băng mà chất lỏng vẫn giữ ngun trạng thái, chưa có tinh thể băng. Q trình này gọi là tiền ựông băng (Supercooling). Trạng thái của chất lỏng không ổn ựịnh, chỉ cần một tác ựộng nhẹ sẽ xảy ra hiện tượng tạo nhân, hoặc phá vỡ hiện tượng tạo tinh thể, thay vào ựó sẽ xảy ra hiện tượng kết hạt (Ditto, 1992) [45].
b. Hiện tượng tạo nhân tinh thể
Một chất lỏng ựông băng phải có một hạt nhỏ làm ỘnhânỢ cho các phân tử nước lần lượt bám vào ựể hình thành tinh thể. Hiện tượng tạo nhân tinh thể có hai hình thức. Ở nước nguyên chất việc tạo nhân là từ các hạt tinh thể nước, cịn ở dung dịch có chất tan, các hạt chất tan này sẽ là nhân cho các
phân tử nước bám vào tạo tinh thể. Vì thế ở trường hợp ựầu việc tạo tinh thể nước xảy ra ở nhiệt ựộ thấp hơn so với trường hợp sau (Barios, 1995 trắch từ Hà Văn Chiêu, 1999) [10].
c. Sự dãn nở của tinh thể băng
Khi ựơng băng các tinh thể hình thành, lượng xuất tinh của chúng sẽ tăng, sự dãn nở lượng xuất tinh này giải phóng năng lượng tiềm ẩn sẵn trong các phân tử nước, làm nhiệt ựộ của dung dịch tăng ựến ựiểm ựơng băng, mặc dù q trình làm lạnh vẫn tiếp tục nhưng tại thời ựiển này nhiệt ựộ của dung dịch không ựổi trong một giai ựoạn nhất ựịnh và giai ựoạn này dài hay ngắn phụ thuộc vào tốc ựộ ựông băng. Nếu tốc ựộ ựơng băng nhanh thì giai ựoạn trên sẽ ngắn và sự giãn nở của tinh thể băng sẽ bị loại trừ và thay vào ựó là hiện tượng thuỷ tinh hố (Ditto, 1992) [45].
d. điểm ựơng băng hồn chỉnh và sự kết tinh tinh thể của dung dịch
Khi hiện tượng làm lạnh tiếp tục, lượng tinh thể nước tăng lên và pha loãng giảm dần, nồng ựộ dung dịch tăng. Dung dịch sẽ tách làm hai phần: Pha tinh thể nước và pha lỏng. Nếu hiện tượng làm lạnh tiếp tục thì pha lỏng sẽ bị biến mất tại một nhiệt ựộ nhất ựịnh. điểm ựó gọi là ựiểm ựơng băng hồn chỉnh của một dung dịch (Rodriguez và Duverger, 1997 trắch từ Hà Văn Chiêu, 1999) [10].
2.1.4.2. Ảnh hưởng của ựông băng lên tế bào tinh trùng
Tinh trùng rất mẫn cảm và luôn tồn tại trong tinh thanh, khi ựông lạnh, tinh trùng chịu sự tác ựộng của các hiện tượng sau (Ditto, 1992) [45]:
a. Hiện tượng ựông băng nội bào
Tinh trùng bị chết, hoặc mất năng lực hoạt ựộng, khi cấu tạo nội bào bị phá vỡ do việc hình thành tinh thể nước nội bào. Nếu tinh trùng nằm trong dung dịch muối sinh lý có thể loại trừ ựược hiện tượng này vì ựược các phân tử nước dạng lỏng bao quanh, mặc dù dung dịch ngoại bào bắt ựầu ựông băng ở nhiệt ựộ - 20C hoặc - 50C. Như vậy q trình ựơng băng sẽ khơng làm hại
tới tế bào tinh trùng cho ựến khi nước nội bào ựông lạnh mặc dù dung dịch môi trường bao quanh ựã ựông lạnh (Mazur, 1989) [55].
b. Sự mất nước của tế bào tinh trùng
Nếu nước nội bào thoát ra ngồi, tinh trùng sẽ bị teo lại, nhưng vẫn có tinh trùng sống ựược ở nhiệt ựộ thấp hoặc siêu thấp chẳng hạn -1960C. Trong quá trình làm lạnh tinh dịch, nước ngoại bào ựơng băng làm áp suất thẩm thấu chênh lệch, nước nội bào thốt ra ngồi tinh trùng và tiếp tục ựơng băng phần ngoại bào. ở - 150C có 80% nước nội bào bị ựơng lạnh và ựược thốt ra ngồi do ựó ngăn ngừa ựược hiện tượng ựơng băng nội bào (Maria, 1995 trắch từ Hà Văn Chiêu, 1999) [10]. Ở - 300C phần lớn nước nội bào thoát ra khỏi tinh trùng. Với tinh trùng có thể chịu lạnh ở - 300C, có thể tồn tại ựược ở - 1960C, cịn tế bào bình thường thì bị phá hủy, tuy nhiên cũng có tinh trùng khơng có khả năng chịu lạnh do các biến ựổi lý - hoá - sinh xảy ra. Những biến ựổi hóa sinh có thể xảy ra trong tế bào bị phá hủy ở nhiệt ựộ thấp như vậy, bao gồm thay ựổi trong cấu trúc nội bào, do thay ựổi trong cấu trúc nội bào và thay ựổi liên kết hydro ở chuỗi polyme. Sự ựơng ựặc hóa khơng thể quay trở lại như cũ và sự kết tủa protein do mất nước của nguyên sinh chất (Aritani, 1989) [35].
c. Hiện tượng ựông băng ngoại bào
Trong khi ựông lạnh ngoại bào, sẽ xảy ra hiện tượng nồng ựộ chất hòa tan kèm theo áp suất thẩm thấu tăng lên và kéo theo những thay ựổi về ựộ pH. Các chất ựiện giải như Natri và Kali có nhiều nhất trong tinh thanh và chúng tồn tại ở dạng Natri clorua, Kali clorua. Ở ựiểm eutectic, nồng ựộ các muối này cao nhất là khi nhiệt ựộ - 21,20C ựối với Natri clorua và - 11,10C ựối với Kali clorua và biên ựộ nhiệt ựộ này có hại cho tinh trùng. Do có sự tăng nồng ựộ chất hòa tan ựi kèm với tăng áp suất thẩm thấu cũng như pH thay ựổi tất cả xảy ra trong biên ựộ nhiệt ựộ này, mà người ta khơng rõ cái gì có tác hại nhất ựến tinh trùng (Maria, 1995 trắch từ Hà Văn Chiêu, 1999) [10].
hoại cơ học ựối với tinh trùng
Hiện tượng giải ựông giống như ựông lạnh cũng làm huỷ hoại tinh trùng do chênh lệch áp suất thẩm thấu, sự di chuyển của nước qua màng tế bào tinh trùng và sự dãn nở của các tinh thể nước ựá trong q trình ựơng lạnh hoặc tan băng có thể gây tổn thương tế bào tinh trùng. Các bọt khắ tồn tại trong tinh thể băng cũng có thể gây tổn hại tinh trùng trong quá trình này (Maria, 1995 trắch từ Hà Văn Chiêu, 1999) [10].
Các tổn thương trên có thể loại trừ ựược bằng cách giảm kắch cỡ các tinh thể băng và làm tăng số lượng tinh thể nhỏ hơn. Tốc ựộ làm lạnh nhanh có thể làm tăng tinh thể nhỏ ựó khi ựơng lạnh. Tuy vậy, băng thủy tinh gồm các tinh thể băng sẽ không ổn ựịnh ở nhiệt ựộ trên - 1290C và sự chuyển ựộng và tái tinh thể hóa của chúng sẽ gây tổn hại tế bào tinh trùng. Chuyển ựộng sẽ tăng lên ở trên - 400C và dễ gây tổn hại tinh trùng ựặc biệt là ở khoảng - 200C. (Hiroshi, 1992) [49].