2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1.4.Một số nguyên lý cơ bản về ựông lạnh tinh dịch
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 quá trình ựông lạnh tinh dịch, ngoài việc dựa vào nguyên lý, lý học, hóa học còn 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 ựông tinh trùng vẫn hoạt ựộng bình thường (Ditto, 1992; Nguyễn Xuân Hoàn, 1994).
2.1.4.1. Hiện tượng ựông băng chất lỏng
Khi một chất lỏng ựược làm lạnh, quá trình ựông băng xảy ra, quá trình này gồm các giai ựoạn: Tiền ựông băng (supercooling), tạo nhân (nucleation), giãn nở của tinh thể băng (growth off ice crystals) và kết tinh hoàn thiện tại một nhiệt ựộ nhất ựịnh (eutectic point), diễn biến trong quá trình ựông băng theo ựồ thị như hình số 2.7. Khi ựông lạnh tinh dịch sự tạo tinh thể và giãn nở tinh thể băng chỉ xảy ra trong ựiều kiện ựông lạnh chậm, còn khi ựông lạnh cực nhanh thì hai hiện tượng trên không xảy ra, mà xảy ra hiện tượng thủy tinh hóa (Vitrification), tạo ra các hạt băng nhỏ li ti, loại trừ ựược hiện tượng giãn nở tinh thể (Mazur, 1989). Quá trình làm lạnh và ựông băng của một dung dịch sảy ra như hình 2.5.
Hình 2.5. Quá trình ựông băng dung dịch (Hiroshi, 1992)
ạ 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 ựông băng, thậm chắ còn xuống thấp dưới ựiểm ựông băng mà chất lỏng vẫn giữ nguyên trạng thái, chưa có tinh thể băng. Quá 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).
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, còn 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).
c. Sự dãn nở của tinh thể băng
Khi ựông 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 ựông băng, mặc dù quá 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 ựông 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 hoá (Ditto, 1992).
d. điểm ựông băng hoàn 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 ựông băng hoàn chỉnh của một dung dịch (Rodriguez và Duverger, 1997 trắch từ Hà Văn Chiêu, 1999).
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):
ạ 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 bàọ 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 quá trình ựông băng sẽ không 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).
b. Sự mất nước của tế bào tinh trùng
Nếu nước nội bào thoát ra ngoài, 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 ựông băng làm áp suất thẩm thấu chênh lệch, nước nội bào thoát ra ngoài tinh trùng và tiếp tục ựông băng phần ngoại bàọ Ở nhiệt ựộ - 150C có 80% nước nội bào bị ựông lạnh và ựược thoát ra ngoài, do ựó ngăn ngừa ựược hiện tượng ựông băng nội bào (Maria, 1995 trắch từ Hà Văn Chiêu, 1999). Ở nhiệt ựộ -300C phần lớn nước nội bào thoát ra khỏi tinh trùng. Với tinh trùng có thể chịu lạnh ở nhiệt ựộ -300C, có thể tồn tại ựược ở nhiệt ựộ -1960C, còn tế bào bình thường thì bị phá hủy, tuy nhiên cũng có tinh trùng không có khả năng chịu lạnh do các biến ựổi lý - hoá - sinh xảy rạ 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 polymẹ Sự ựông ựặc hóa không thể quay trở lại như cũ và sự kết tủa protein do mất nước của nguyên sinh chất (Aritani, 1989).
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 cloruạ 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 không rõ cái gì có tác hại nhất ựến tinh trùng (Maria, 1995 trắch từ Hà Văn Chiêu, 1999).
d. Chuyển ựộng của nước và sự giãn nở của tinh thể nước gây ra huỷ 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 giãn nở của các tinh thể nước ựá trong quá trình ựông 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).
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 ựông lạnh. Nói cách khác là khi làm lạnh nhanh sẽ ngăn chăn ựược sự lớn lên của các tinh thể băng trong dung dịch và tạo ựiều kiện ựông lạnh giống như thủy tinh hóạ 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).