低溫保存是通過使用非常低的溫度（-80或-196°C）來長期保存器官，組織，細(xì)胞和其他生物材料的基本且重要的技術(shù)。在冷凍保存溫度條件，在活細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)顯著減少，甚至停止，這是用于實現(xiàn)各種生物樣品的長期保存的基本機制。

       冷凍保存的細(xì)胞或組織不僅維持從低溫解凍后正常結(jié)構(gòu)和功能完整性，也允許進(jìn)一步的臨床應(yīng)用和基礎(chǔ)研究。到目前為止，基礎(chǔ)理論，低溫設(shè)備，冷凍保存策略以及用于冷凍保存的新型冷凍保護劑（CPA）在冷凍生物學(xué)領(lǐng)域取得了突破，從而促進(jìn)了冷凍保存的許多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的廣泛發(fā)展，包括輔助生殖，干細(xì)胞療法，再生醫(yī)學(xué)，組織工程，生物樣本庫以及藥物的開發(fā)和研究。例如，基于干細(xì)胞醫(yī)學(xué)的最新進(jìn)展，對干細(xì)胞的需求急劇增加。因此，實現(xiàn)干細(xì)胞的高質(zhì)量和高效存儲對于克服當(dāng)前的供需不平衡至關(guān)重要。此外，另一種典型的應(yīng)用領(lǐng)域是人的生育。最近，由于偶爾的疾病，積極的藥物使用和外部壓力，年輕女性的不孕風(fēng)險已經(jīng)增加。全世界年輕人中發(fā)生的生殖疾病嚴(yán)重影響了他們的生育能力。因此，卵細(xì)胞，精子，卵子和胚胎的冷凍保存對于人類繁殖至關(guān)重要?？傊?，對于各種生物樣品（例如，細(xì)胞，組織，器官和疫苗）而言，首要且必不可少的冷凍保存科學(xué)對于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的臨床應(yīng)用和科學(xué)研究至關(guān)重要。

       冷凍保存期間的冰損傷

       作為保存生物標(biāo)本的基本和重要方法，冷凍保存可以有效地減少新陳代謝，并為各種生物學(xué)應(yīng)用提供重要支持。圖 A總結(jié)了在冷卻和加熱過程中發(fā)生的基本低溫保存程序和低溫傷害。值得注意的是，在冷凍保存的融化過程中，冰晶的形成和生長是導(dǎo)致細(xì)胞活力喪失的主要問題。冰晶在整個低溫保存過程中是不可避免的，其控制和抑制對于最大限度地減少細(xì)胞損傷至關(guān)重要。

       通常，在凍融循環(huán)過程中，冰損傷可分為細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)冰。它公知的是低溫細(xì)胞的存活在很大程度上取決于冷卻速率，，其可以被定義為緩慢冷凍和玻璃化（圖 B）。如圖C所示 ，根據(jù)拖曳因子假設(shè)理論，關(guān)于緩慢冷凍，大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)水流出是因為細(xì)胞內(nèi)水的化學(xué)勢高于細(xì)胞外冰相的化學(xué)勢，這導(dǎo)致細(xì)胞脫水，并因此引起細(xì)胞外冰和滲透壓損害。隨著冷卻速率的增加，細(xì)胞內(nèi)的水不能迅速流出，從而形成細(xì)胞內(nèi)的冰并在冷凍過程中導(dǎo)致對細(xì)胞的致命性冷凍傷。無論緩慢或快速冷凍，冰晶的形成都是不可避免的，在冷卻過程中優(yōu)化細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)的冰晶并最大程度地減少對細(xì)胞的冰害至關(guān)重要。尤其，玻璃化冷凍保存可以避免冷凍過程中的冰損傷，這是由于在高濃度的CPA的幫助下溶液的無冰狀態(tài)。然而，在解凍階段發(fā)生的失透和重結(jié)晶可能對冷凍保存的細(xì)胞造成致命的損害。此外，高濃度CPA的毒性也是玻璃化冷凍保存策略的主要問題和局限?？傊珊说男纬?，冰晶的生長以及冰的再結(jié)晶/失透是限制冷凍保存效率和質(zhì)量的三個主要因素（圖 高濃度CPA的毒性也是玻璃化冷凍保存策略的主要問題和局限性?？傊?，冰成核的形成，冰晶的生長以及冰的再結(jié)晶/失透是限制冷凍保存效率和質(zhì)量的三個主要因素（圖 高濃度CPA的毒性也是玻璃化冷凍保存策略的主要問題和局限性。總之，冰成核的形成，冰晶的生長以及冰的再結(jié)晶/失透是限制冷凍保存效率和質(zhì)量的三個主要因素（圖 D）。

       近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系趙剛課題組和馬里蘭大學(xué)何曉明課題組合作，利用低濃度的海藻糖這一單一的低溫保護劑實現(xiàn)了細(xì)胞的高效低溫保存。

       傳統(tǒng)的細(xì)胞低溫冷凍保存方法通常需要使用滲透性的、有毒的有機溶劑（例如二甲基亞砜、甘油等）作為低溫保護劑，復(fù)溫后的細(xì)胞必須經(jīng)過繁瑣的洗滌過程去除細(xì)胞內(nèi)外的有機溶劑才能實際應(yīng)用。而海藻糖是一種天然的二糖，廣泛存在自然界多種微生物中，相對于傳統(tǒng)的低溫保護劑而言，具有無毒高效的低溫保護效果。已有研究表明，海藻糖必須同時存在于細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)時，其保護效果才最佳。然而，哺乳動物細(xì)胞自身不能合成海藻糖，且其細(xì)胞膜上沒有海藻糖轉(zhuǎn)運蛋白，這就導(dǎo)致海藻糖無法高效、無損地進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，嚴(yán)重限制了海藻糖在細(xì)胞低溫冷凍保存中的應(yīng)用。

       面對這一挑戰(zhàn)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)趙剛課題組和馬里蘭大學(xué)何曉明課題組合作，創(chuàng)造性地設(shè)計了一種冷響應(yīng)的納米膠囊，用于海藻糖的納米尺度封裝、細(xì)胞內(nèi)遞送和溫度控制釋放。且使用該方法成功實現(xiàn)了兩種典型細(xì)胞的低溫冷凍保存，其保存效果與傳統(tǒng)的二甲基亞砜相當(dāng)，卻完全避免了伴隨傳統(tǒng)低溫保護劑的復(fù)溫后的繁瑣的、損傷性的細(xì)胞洗滌過程。

研究人員基于水熱法成功將聚乙烯吡咯烷酮與二硒化鎢復(fù)合，通過調(diào)控合成參數(shù)，制備出納米片和納米花形態(tài)的納米復(fù)合材料?；诠δ懿牧吓c外部物理場的協(xié)同作用，這種納米復(fù)合材料集成了抑制冰晶的形成、生長以及快速消融的一體化功能，因此可以顯著降低細(xì)胞低溫保存過程的冰晶損傷，極大的提高細(xì)胞保存效率。

       基于該納米復(fù)合材料的協(xié)同冰晶抑制效應(yīng)，研究結(jié)果表明：1）降溫過程中納米材料具有可以調(diào)控冰晶成核的作用，顯著降低溶液過冷度，從而可以顯著降低樣品在降溫過程遭受的冰晶損傷。2）基于吸附-抑制效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該種納米復(fù)合材料可以選擇性的吸附至冰晶界面處，從而抑制復(fù)溫過程中的冰晶再結(jié)晶；同時基于納米材料的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，可以實現(xiàn)冰晶的快速消融，促使生物樣品快速穿過危險溫區(qū)，降低復(fù)溫過程遭受的低溫?fù)p傷。3）基于冰晶協(xié)同抑制效應(yīng)，實現(xiàn)了活細(xì)胞構(gòu)建物在低濃度保護劑（2 M）下的快速冷凍保存，具有與商用二甲基亞砜（10%）同等的保存效果，并且保存樣品可以在體內(nèi)連續(xù)存活多天并且保持正常的增長增殖，表明該種保存方式的可靠性與穩(wěn)定性，有望為后續(xù)的細(xì)胞治療提供了全新的保存方式。