深圳國際研究生院耿洪亞團隊在跨尺度生物樣本冷凍保存領(lǐng)域取得新進展
清華新聞網(wǎng)12月2日電 冷凍保存技術(shù)是細胞治療、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源。當保存對象從單細胞擴展到復(fù)雜組織甚至大尺寸器官時，冰晶的形成、擴散以及復(fù)溫過程中出現(xiàn)的重結(jié)晶，會迅速放大對結(jié)構(gòu)和功能的破壞。因此，實現(xiàn)真正的跨尺度凍存，必須同時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關(guān)鍵問題。
圖1.面向跨尺度凍存的高效抑冰和升溫設(shè)計
針對這一問題，清華大學(xué)深圳國際研究生院耿洪亞助理教授團隊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”兩條主線同步展開，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、界面調(diào)控與能量耦合策略，實現(xiàn)了在微觀與宏觀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納米雜化材料實現(xiàn)高效抑冰及其界面調(diào)控機制解析
研究中構(gòu)筑的Janus材料由磁性Fe3O4NPs與光熱PPy不對稱組合而成，形成一個類似雪人的頭部-軀體結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)在冰-水界面表現(xiàn)出極強的“水化-去匹配”雙調(diào)控效應(yīng)：Fe3O4NPs通過強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Gibbs-Thomson效應(yīng)抑制重結(jié)晶，并驅(qū)動水分子由冰界面轉(zhuǎn)移至親水“頭部”。分子動力學(xué)模擬進一步揭示了這種Janus構(gòu)型在冰-水界面的協(xié)同抑冰機制，使冰晶平均面積減少高達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（AMF）和近紅外光（NIR）作用下產(chǎn)生動態(tài)旋轉(zhuǎn)，使熱量得以在各方向迅速、均勻擴散。與傳統(tǒng)外水浴加熱方式不同，VPF在組織內(nèi)部實現(xiàn)“熱源自內(nèi)而外”的體相加熱模式，從根本上消除溫度梯度與熱應(yīng)力問題，使大尺度組織得以安全通過最危險的結(jié)冰溫度區(qū)間（圖3）。該方法實現(xiàn)了超過920 ℃/min的超快升溫速率，并可穿透數(shù)厘米厚組織，為器官級凍存提供了此前難以實現(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-升溫雙機制，人臍靜脈內(nèi)皮細胞、MSC、神經(jīng)細胞等多種細胞類型均保持高活性與功能；益生菌在無DMSO情況下仍保有近86%活性；神經(jīng)細胞球在低濃度冷凍保護劑（CPA）條件下完整保留了3D結(jié)構(gòu)、線粒體功能與后續(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，可在升溫后實現(xiàn)超過98%的快速分離，極大降低了操作難度，便于未來GMP轉(zhuǎn)化。
這一工作提出了從單細胞到類器官再到復(fù)雜管腔組織乃至器官級體系的通用凍存策略，為構(gòu)建高質(zhì)量類器官庫、推動精準醫(yī)療、促進細胞與組織制劑產(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《先進材料》（Advanced Materials）。
清華大學(xué)深圳國際研究生院助理教授耿洪亞為論文通訊作者，深圳國際研究生院2023級碩士生柯濤和2023級博士生范欣為論文共同第一作者。研究得到國家自然科學(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劃項目的支持。
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