2021年1月29日和2月1日，中国科学技术大学信息科学技术学院赵刚教授团队先后在国际著名学术期刊Advanced Science发表题为“Ice Inhibition for Cryopreservation: Materials, Strategies, and Challenges”和“Synergistic Ice Inhibition Effect Enhances Rapid Freezing Cryopreservation with Low Concentration of Cryoprotectants”的学术论文，通过分子材料设计、工程学策略和多物理场结合，实现了活细胞深低温冷冻保存过程的协同抑冰，极大提升了活细胞低温保存的效率和质量。
冰晶的形成、生长以及去除，在航空航天、大气科学、低温生物医学等诸多领域均具有重要的研究意义。有效降低降温冷冻和复温融解过程中冰晶形成造成的损伤，对于活细胞、组织和器官的深低温冷冻保存的成败至关重要，同时其也是有效提升冷冻保存效率与质量的关键所在。
目前国际通用的生物样本深低温冷冻保存方法，主要可以分为慢速冷冻法和玻璃化法两大类。前者在降温冷冻过程中，会有大量冰晶形成，不可避免会对样本造成损伤。后者为了实现样品的玻璃化转变，避免结冰，往往需要达到极快的降温速率或者引入浓度极高的低温保护剂，这就导致：要么在技术上难以实现或难以推广应用，要么无法避免过高浓度的低温保护剂带来的化学毒性。此外，无论哪一种低温保存方法，即使安全高效地突破了降温过程中各种瓶颈问题，仍然难以避免复温融解过程可能出现的再结晶和/或反玻璃化，而复温过程中的冰晶形成对样品的损伤往往是致命的。因此，实现降复温全过程中冰晶的协同抑制至关重要。只有充分抑制细胞冷冻保存全过程中的冰晶损伤，才能使得低温保存技术从根源上取得突破，最终为细胞治疗、再生医学、组织工程、生殖医学等诸多领域提供基础技术支撑。
图1. 抑制冰晶而促进低温保存的多种材料和策略
近日，赵刚教授团队在Advanced Science 期刊上发表题为 “Ice Inhibition for Cryopreservation: Materials, Strategies, and Challenges” 的综述论文。从多学科交叉融合角度，系统综述了解决低温冷冻保存过程抑冰问题的材料学和工程学策略，并对相关核心技术的突破面临的关键科学问题及其挑战进行了前瞻性探讨。(https://doi.org/10.1002/advs.202002425)
该综述首次从分子材料遴选与设计、工程与结构仿生、多物理场协同调控相结合的角度，全方位、多层次地概述了冰晶抑制的方法和策略，对现代低温生物学的发展，特别是生命材料的深低温冷冻保存技术的革新具有重要的指导意义。
基于此，赵刚教授团队进一步与国家同步辐射实验室宋礼教授团队、国家纳米科学中心王海研究员团队合作，提出了生物样品低温冷冻保存过程冰晶协同抑制新思路，为减小冰晶对细胞的损伤指出了一条全新的研究途径。相关研究结果以题为“Synergistic Ice Inhibition Effect Enhances Rapid Freezing Cryopreservation with Low Concentration of Cryoprotectants”的研究论文形式再次发表于Advanced Science期刊。(https://doi.org/10.1002/advs.202003387)
图2. 基于氢键、吸附抑制以及光热转换效应实现冰晶的协同抑制以提升活细胞深低温冷冻保存效果
研究人员基于水热法成功将聚乙烯吡咯烷酮与二硒化钨复合，通过调控合成参数，制备出纳米片和纳米花形态的纳米复合材料。基于功能材料与外部物理场的协同作用，这种纳米复合材料集成了抑制冰晶的形成、生长以及快速消融的一体化功能，因此可以显著降低细胞低温保存过程的冰晶损伤，极大的提高细胞保存效率。
基于该纳米复合材料的协同冰晶抑制效应，研究结果表明：1）降温过程中纳米材料具有可以调控冰晶成核的作用，显著降低溶液过冷度，从而可以显著降低样品在降温过程遭受的冰晶损伤。2）基于吸附-抑制效应，发现该种纳米复合材料可以选择性的吸附至冰晶界面处，从而抑制复温过程中的冰晶再结晶；同时基于纳米材料的光热转换效应，可以实现冰晶的快速消融，促使生物样品快速穿过危险温区，降低复温过程遭受的低温损伤。3）基于冰晶协同抑制效应，实现了活细胞构建物在低浓度保护剂（2 M）下的快速冷冻保存，具有与商用二甲基亚砜（10%）同等的保存效果，并且保存样品可以在体内连续存活多天并且保持正常的增长增殖，表明该种保存方式的可靠性与稳定性，有望为后续的细胞治疗提供了全新的保存方式。
相关综述，中国科学技术大学信息科学技术学院硕士生常铁为第一作者，中国科学技术大学信息科学技术学院赵刚教授为通讯作者。
相关研究论文，中国科学技术大学信息科学技术学院硕士生常铁和国家同步辐射实验室留学博士生Oyawale Adetunji Moses为共同第一作者；中国科学技术大学信息科学技术学院赵刚教授、国家同步辐射实验室宋礼教授和国家纳米科学中心王海研究员为共同通讯作者。
本研究得到国家重点研发计划(政府间国际科技创新合作重点专项)和中国科学技术大学探索类基金项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202002425
https://doi.org/10.1002/advs.202003387
附：低温生物医学特色方向简介
中国科学技术大学低温生物医学方向由我校77级杰出校友创立于90年代末。经过20余年的积累，在国内外均具有较高的学术影响力。我校校友和该方向学术带头人赵刚教授分别担任国际低温生物学会主席和常务理事等重要领导职务，同时担任该方向国际著名专业期刊Cryobiology、Biopreservation and Biobanking的副主编或编委。
近年来，该方向在Science Advances, Advanced Science, Small, Nano Letters, ACS Sensors, Lab on a Chip等重要国际期刊发表高质量学术论文百篇以上。曾于2004和2017年，先后两次承办该方向国际权威会议—国际低温生物学大会。我校相关研究团队对该学科在国内外的发展起到了显著的推动作用。
（信息科学技术学院、科研部）
