清華新聞網(wǎng)12月2日電 冷凍保存技術(shù)是細(xì)胞治療、再生醫(yī)學(xué)、器官移植及生物資源保存的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，其中冰晶的形成、長(zhǎng)大與重結(jié)晶，是所有凍存系統(tǒng)最主要且難以被完全避免的損傷來(lái)源。當(dāng)保存對(duì)象從單細(xì)胞擴(kuò)展到復(fù)雜組織甚至大尺寸器官時(shí)，冰晶的形成、擴(kuò)散以及復(fù)溫過(guò)程中出現(xiàn)的重結(jié)晶，會(huì)迅速放大對(duì)結(jié)構(gòu)和功能的破壞。因此，實(shí)現(xiàn)真正的跨尺度凍存，必須同時(shí)破解低溫下的抑冰能力、復(fù)溫階段的高效均勻升溫能力兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
圖1.面向跨尺度凍存的高效抑冰和升溫設(shè)計(jì)
針對(duì)這一問(wèn)題，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院耿洪亞助理教授團(tuán)隊(duì)在前期研究抗凍多肽和抑冰-光熱納米凍存劑的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種具有雪人狀結(jié)構(gòu)的Janus納米雜化材料（VPF），從“抑冰-升溫”兩條主線(xiàn)同步展開(kāi)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、界面調(diào)控與能量耦合策略，實(shí)現(xiàn)了在微觀(guān)與宏觀(guān)尺度上均極具突破性的抑冰與超快均勻復(fù)溫能力（圖1）。
圖2.Janus納米雜化材料實(shí)現(xiàn)高效抑冰及其界面調(diào)控機(jī)制解析
研究中構(gòu)筑的Janus材料由磁性Fe3O4NPs與光熱PPy不對(duì)稱(chēng)組合而成，形成一個(gè)類(lèi)似雪人的頭部-軀體結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)在冰-水界面表現(xiàn)出極強(qiáng)的“水化-去匹配”雙調(diào)控效應(yīng)：Fe3O4NPs通過(guò)強(qiáng)水合作用破壞局部氫鍵網(wǎng)絡(luò)，削弱自由水分子與冰界面的匹配；PPy與冰晶表面貼合形成微曲界面，通過(guò)Gibbs-Thomson效應(yīng)抑制重結(jié)晶，并驅(qū)動(dòng)水分子由冰界面轉(zhuǎn)移至親水“頭部”。分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步揭示了這種Janus構(gòu)型在冰-水界面的協(xié)同抑冰機(jī)制，使冰晶平均面積減少高達(dá)98.4%（圖2）。
圖3.Janus納米雜化材料在跨尺度體系中縮窄熱危險(xiǎn)區(qū)間的高效升溫性能
在升溫方面，該材料基于光熱-磁熱協(xié)同原理，能夠在交變磁場(chǎng)（AMF）和近紅外光（NIR）作用下產(chǎn)生動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)，使熱量得以在各方向迅速、均勻擴(kuò)散。與傳統(tǒng)外水浴加熱方式不同，VPF在組織內(nèi)部實(shí)現(xiàn)“熱源自?xún)?nèi)而外”的體相加熱模式，從根本上消除溫度梯度與熱應(yīng)力問(wèn)題，使大尺度組織得以安全通過(guò)最危險(xiǎn)的結(jié)冰溫度區(qū)間（圖3）。該方法實(shí)現(xiàn)了超過(guò)920 ℃/min的超快升溫速率，并可穿透數(shù)厘米厚組織，為器官級(jí)凍存提供了此前難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)溫條件。
圖4.豬氣管的結(jié)構(gòu)化凍存與復(fù)溫效果展示
依托這一抑冰-升溫雙機(jī)制，人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞、MSC、神經(jīng)細(xì)胞等多種細(xì)胞類(lèi)型均保持高活性與功能；益生菌在無(wú)DMSO情況下仍保有近86%活性；神經(jīng)細(xì)胞球在低濃度冷凍保護(hù)劑（CPA）條件下完整保留了3D結(jié)構(gòu)、線(xiàn)粒體功能與后續(xù)神經(jīng)分化潛能；在復(fù)雜度更高的50mL級(jí)豬氣管樣本中，組織纖毛、膠原分布及力學(xué)特性均與新鮮組織高度一致，顯示出對(duì)器官尺度的良好適配性（圖4）。更為關(guān)鍵的是，VPF具備優(yōu)異的磁響應(yīng)特性，可在升溫后實(shí)現(xiàn)超過(guò)98%的快速分離，極大降低了操作難度，便于未來(lái)GMP轉(zhuǎn)化。
這一工作提出了從單細(xì)胞到類(lèi)器官再到復(fù)雜管腔組織乃至器官級(jí)體系的通用凍存策略，為構(gòu)建高質(zhì)量類(lèi)器官庫(kù)、推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療、促進(jìn)細(xì)胞與組織制劑產(chǎn)業(yè)化提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。
研究成果以“Janus納米雜化材料實(shí)現(xiàn)跨尺度凍存的超快復(fù)溫與高親和抑冰效應(yīng)”（Janus Nanohybrids Enable Superflash Warming and High-Affinity Ice Confinement for Cross-Scale Cryopreservation）為題，于11月29日發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院助理教授耿洪亞為論文通訊作者，深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)碩士生柯濤和2023級(jí)博士生范欣為論文共同第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、教育部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)局等單位和北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202515996
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
