近日，中國科學技術大學資訊科學技術學院趙剛教授團隊先後在國際著名學術期刊Advanced Science發表題為“Ice Inhibition for Cryopreservation: Materials, Strategies, and Challenges”和“Synergistic Ice Inhibition Effect Enhances Rapid Freezing Cryopreservation with Low Concentration of Cryoprotectants”的學術論文，透過分子材料設計、工程學策略和多物理場結合，實現了活細胞深低溫冷凍儲存過程的協同抑冰，極大提升了活細胞低溫儲存的效率和質量。
冰晶的形成、生長以及去除，在航空航天、大氣科學、低溫生物醫學等諸多領域均具有重要的研究意義。有效降低降溫冷凍和復溫融解過程中冰晶形成造成的損傷，對於活細胞、組織和器官的深低溫冷凍儲存的成敗至關重要，同時其也是有效提升冷凍儲存效率與質量的關鍵所在。
目前國際通用的生物樣本深低溫冷凍儲存方法，主要可以分為慢速冷凍法和玻璃化法兩大類。前者在降溫冷凍過程中，會有大量冰晶形成，不可避免會對樣本造成損傷。後者為了實現樣品的玻璃化轉變，避免結冰，往往需要達到極快的降溫速率或者引入濃度極高的低溫保護劑，這就導致：要麼在技術上難以實現或難以推廣應用，要麼無法避免過高濃度的低溫保護劑帶來的化學毒性。此外，無論哪一種低溫儲存方法，即使安全高效地突破了降溫過程中各種瓶頸問題，仍然難以避免復溫融解過程可能出現的再結晶和/或反玻璃化，而復溫過程中的冰晶形成對樣品的損傷往往是致命的。因此，實現降復溫全過程中冰晶的協同抑制至關重要。只有充分抑制細胞冷凍儲存全過程中的冰晶損傷，才能使得低溫儲存技術從根源上取得突破，最終為細胞治療、再生醫學、組織工程、生殖醫學等諸多領域提供基礎技術支撐。
圖1. 抑制冰晶而促進低溫儲存的多種材料和策略
近日，趙剛教授團隊在Advanced Science 期刊上發表題為 “Ice Inhibition for Cryopreservation: Materials, Strategies, and Challenges” 的綜述論文。從多學科交叉融合角度，系統綜述瞭解決低溫冷凍儲存過程抑冰問題的材料學和工程學策略，並對相關核心技術的突破面臨的關鍵科學問題及其挑戰進行了前瞻性探討。
該綜述首次從分子材料遴選與設計、工程與結構仿生、多物理場協同調控相結合的角度，全方位、多層次地概述了冰晶抑制的方法和策略，對現代低溫生物學的發展，特別是生命材料的深低溫冷凍儲存技術的革新具有重要的指導意義。
基於此，趙剛教授團隊進一步與國家同步輻射實驗室宋禮教授團隊、國家奈米科學中心王海研究員團隊合作，提出了生物樣品低溫冷凍儲存過程冰晶協同抑制新思路，為減小冰晶對細胞的損傷指出了一條全新的研究途徑。相關研究結果以題為“Synergistic Ice Inhibition Effect Enhances Rapid Freezing Cryopreservation with Low Concentration of Cryoprotectants”的研究論文形式再次發表於Advanced Science期刊。
圖2. 基於氫鍵、吸附抑制以及光熱轉換效應實現冰晶的協同抑制以提升活細胞深低溫冷凍儲存效果
研究人員基於水熱法成功將聚乙烯吡咯烷酮與二硒化鎢複合，透過調控合成引數，製備出納米片和奈米花形態的奈米複合材料。基於功能材料與外部物理場的協同作用，這種奈米複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胞低溫儲存過程的冰晶損傷，極大的提高細胞儲存效率。
基於該奈米複合材料的協同冰晶抑制效應，研究結果表明：1）降溫過程中奈米材料具有可以調控冰晶成核的作用，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）基於吸附-抑制效應，發現該種奈米複合材料可以選擇性的吸附至冰晶介面處，從而抑制復溫過程中的冰晶再結晶；同時基於奈米材料的光熱轉換效應，可以實現冰晶的快速消融，促使生物樣品快速穿過危險溫區，降低復溫過程遭受的低溫損傷。3）基於冰晶協同抑制效應，實現了活細胞構建物在低濃度保護劑（2 M）下的快速冷凍儲存，具有與商用二甲基亞碸（10%）同等的儲存效果，並且儲存樣品可以在體內連續存活多天並且保持正常的增長增殖，表明該種儲存方式的可靠性與穩定性，有望為後續的細胞治療提供了全新的儲存方式。
相關綜述，中國科學技術大學資訊科學技術學院碩士生常鐵為第一作者，中國科學技術大學資訊科學技術學院趙剛教授為通訊作者。相關研究論文，中國科學技術大學資訊科學技術學院碩士生常鐵和國家同步輻射實驗室留學博士生Oyawale Adetunji Moses為共同第一作者；中國科學技術大學資訊科學技術學院趙剛教授、國家同步輻射實驗室宋禮教授和國家奈米科學中心王海研究員為共同通訊作者。本研究得到國家重點研發計劃(政府間國際科技創新合作重點專項)和中國科學技術大學探索類基金專案的資助。
原文連結：
https://doi.org/10.1002/advs.202002425
https://doi.org/10.1002/advs.202003387