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2021年1月29日和2月1日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院趙剛教授團(tuán)隊(duì)先后在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Science發(fā)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(xué)術(shù)論文，通過(guò)分子材料設(shè)計(jì)、工程學(xué)策略和多物理場(chǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞深低溫冷凍保存過(guò)程的協(xié)同抑冰，極大提升了活細(xì)胞低溫保存的效率和質(zhì)量。

冰晶的形成、生長(zhǎng)以及去除，在航空航天、大氣科學(xué)、低溫生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域均具有重要的研究意義。有效降低降溫冷凍和復(fù)溫融解過(guò)程中冰晶形成造成的損傷，對(duì)于活細(xì)胞、組織和器官的深低溫冷凍保存的成敗至關(guān)重要，同時(shí)其也是有效提升冷凍保存效率與質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

目前國(guó)際通用的生物樣本深低溫冷凍保存方法，主要可以分為慢速冷凍法和玻璃化法兩大類(lèi)。前者在降溫冷凍過(guò)程中，會(huì)有大量冰晶形成，不可避免會(huì)對(duì)樣本造成損傷。后者為了實(shí)現(xiàn)樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變，避免結(jié)冰，往往需要達(dá)到極快的降溫速率或者引入濃度極高的低溫保護(hù)劑，這就導(dǎo)致：要么在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)或難以推廣應(yīng)用，要么無(wú)法避免過(guò)高濃度的低溫保護(hù)劑帶來(lái)的化學(xué)毒性。此外，無(wú)論哪一種低溫保存方法，即使安全高效地突破了降溫過(guò)程中各種瓶頸問(wèn)題，仍然難以避免復(fù)溫融解過(guò)程可能出現(xiàn)的再結(jié)晶和/或反玻璃化，而復(fù)溫過(guò)程中的冰晶形成對(duì)樣品的損傷往往是致命的。因此，實(shí)現(xiàn)降復(fù)溫全過(guò)程中冰晶的協(xié)同抑制至關(guān)重要。只有充分抑制細(xì)胞冷凍保存全過(guò)程中的冰晶損傷，才能使得低溫保存技術(shù)從根源上取得突破，最終為細(xì)胞治療、再生醫(yī)學(xué)、組織工程、生殖醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

圖1. 抑制冰晶而促進(jìn)低溫保存的多種材料和策略

近日，趙剛教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Science 期刊上發(fā)表題為 “Ice Inhibition for Cryopreservation: Materials, Strategies, and Challenges” 的綜述論文。從多學(xué)科交叉融合角度，系統(tǒng)綜述了解決低溫冷凍保存過(guò)程抑冰問(wèn)題的材料學(xué)和工程學(xué)策略，并對(duì)相關(guān)核心技術(shù)的突破面臨的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及其挑戰(zhàn)進(jìn)行了前瞻性探討。(https://doi.org/10.1002/advs.202002425)

該綜述首次從分子材料遴選與設(shè)計(jì)、工程與結(jié)構(gòu)仿生、多物理場(chǎng)協(xié)同調(diào)控相結(jié)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(duì)現(xiàn)代低溫生物學(xué)的發(fā)展，特別是生命材料的深低溫冷凍保存技術(shù)的革新具有重要的指導(dǎo)意義。

基于此，趙剛教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步與國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室宋禮教授團(tuán)隊(duì)、國(guó)家納米科學(xué)中心王海研究員團(tuán)隊(duì)合作，提出了生物樣品低溫冷凍保存過(guò)程冰晶協(xié)同抑制新思路，為減小冰晶對(duì)細(xì)胞的損傷指出了一條全新的研究途徑。相關(guān)研究結(jié)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(fā)表于Advanced Science期刊。(https://doi.org/10.1002/advs.202003387)

圖2. 基于氫鍵、吸附抑制以及光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)實(shí)現(xiàn)冰晶的協(xié)同抑制以提升活細(xì)胞深低溫冷凍保存效果

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(guò)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(chǎng)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)冷度，從而可以顯著降低樣品在降溫過(guò)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(guò)程中的冰晶再結(jié)晶；同時(shí)基于納米材料的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)冰晶的快速消融，促使生物樣品快速穿過(guò)危險(xiǎn)溫區(qū)，降低復(fù)溫過(guò)程遭受的低溫?fù)p傷。3）基于冰晶協(xié)同抑制效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞構(gòu)建物在低濃度保護(hù)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(zhǎng)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。

相關(guān)綜述，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院碩士生常鐵為第一作者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院趙剛教授為通訊作者。

相關(guān)研究論文，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院碩士生常鐵和國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室留學(xué)博士生Oyawale Adetunji Moses為共同第一作者；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院趙剛教授、國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室宋禮教授和國(guó)家納米科學(xué)中心王海研究員為共同通訊作者。

本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng))和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)探索類(lèi)基金項(xiàng)目的資助。

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附：低溫生物醫(yī)學(xué)特色方向簡(jiǎn)介

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)低溫生物醫(yī)學(xué)方向由我校77級(jí)杰出校友創(chuàng)立于90年代末。經(jīng)過(guò)20余年的積累，在國(guó)內(nèi)外均具有較高的學(xué)術(shù)影響力。我校校友和該方向?qū)W術(shù)帶頭人趙剛教授分別擔(dān)任國(guó)際低溫生物學(xué)會(huì)主席和常務(wù)理事等重要領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)，同時(shí)擔(dān)任該方向國(guó)際著名專(zhuān)業(yè)期刊Cryobiology、Biopreservation and Biobanking的副主編或編委。

近年來(lái)，該方向在Science Advances, Advanced Science, Small, Nano Letters, ACS Sensors, Lab on a Chip等重要國(guó)際期刊發(fā)表高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文百篇以上。曾于2004和2017年，先后兩次承辦該方向國(guó)際權(quán)威會(huì)議—國(guó)際低溫生物學(xué)大會(huì)。我校相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該學(xué)科在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展起到了顯著的推動(dòng)作用。

（信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、科研部）