人脐动脉内皮细胞纳米低温保存过程的实验研究与模型建立

Nanocryoproservation of biomaterials is an emerging popular research direction in recent years, while the development of the corresponding theories and experimental techniques is far from enough. No detailed investigation has been carried out on the effects of nanoparticles on cryopreservation.And no theoretically perfect thermodynamic models are available for describing the important physical processes during nanocryopreservation, including non-equilibrium phase change of extracellular solution, nucleation and the growth of intracellular ice crystals, mass transport across cell membrane, and intracellular vitrification, et al. This project is planning to investigate the influences of nanoparticles on the cryopreservation of human umbilical artery endothelial cells through orthogonal experiment design, and to experimentally determine the thermodynamic and kinetics properties of the nano-cryoprotectant solutions, and to investigate the effects of nanoparticles on the cryobiophysical parameters of the cell membrane. This project also proposes to establish a theoretical model for cell nanocryopreservation, which is available for quantificational evaluation of cell cryoinjury. The model predictions could be verified by the above mentioned cell nanocryopreservation experiments. Finally, this project intends to explore the potential application values of nanoparticles in cell cryopreservation from the basic principles, and to pioneer new thinking on cryopreservation. Successful carrying out of this project is of important academic significance and application value to the development of nanocryopreservation.

生命材料纳米低温保存是近年来新兴的热门研究方向，其理论和实验发展均不完善。纳米颗粒的引入对于细胞低温保存的诸多影响，目前尚缺乏系统的研究。此外，尚未见到完善的热力学模型，可用于描述纳米低温保存过程细胞外溶液非平衡相变、细胞内冰晶成核及其生长、跨膜物质输运、细胞内玻璃化等低温生物医学领域至关重要的物理过程。本项目拟选取人脐动脉内皮细胞为模型细胞(1)设计正交试验，系统研究典型纳米颗粒对其低温保存的影响，包括存活率、生长曲线、细胞凋亡、形态学等；(2)实验研究纳米低温保护剂悬浮液的热力学和动力学性质；(3)实验研究纳米颗粒对细胞膜生物物理学参数的影响；(4)建立可用于描述细胞纳米低温保存过程的热力学模型，定量评估细胞低温损伤，并与上述实验结果印证。本项目最终拟从基础机理出发，探寻纳米颗粒对于细胞低温保存的潜在应用价值，开拓低温保存新思路。项目开展对纳米低温保存学科的发展具有学术和应用价值。

生命材料纳米低温保存对于细胞低温保存的潜在应用价值巨大，但其理论和实验发展均不完善。纳米颗粒的引入对于细胞低温保存的诸多影响，也缺乏系统研究。利用自行开发的灌流与低温显微系统，开展了针对纳米颗粒在细胞低温保存过程中的影响的系统研究和探索。搭建了纳米低温保护剂溶液粘度测定系统，并建立了可用于描述该溶液系统粘度对温度和浓度依赖关系式。发现了细胞膜水渗透系数的温度和浓度的双重依赖性的定量关系，建立了通用的可用于定量描述细胞膜的温度和浓度双重依赖性的关系式。并研究了纳米颗粒对于低温冷冻中水输运和胞内冰形成的影响，通过统计学分析得出纳米颗粒对细胞膜水传输的影响。改进了Toner提出的用于描述冷冻过程细胞胞内冰晶成核率随温度变化关系的理论模型，改进后的模型能更正确的描述低温下细胞内冰晶成核的变化规律。系统研究了纳米低温保护剂悬浮液的热力学和动力学性质。理论结合实验，研究了内皮细胞的非平衡渗透性和胞内冰晶成核过程。创造性的使用纳米颗粒结合微波电磁场辅助细胞低温保存及冷冻复温，引入微波天线进行肿瘤的适形治疗研究。探索了分形血管网络和纳米颗粒在肿瘤组织低温手术过程中的传热和胞内冰成核问题。利用超顺磁性纳米颗粒研究了电磁加热对细胞玻璃化保存复温后的影响，发现了电磁感应加热纳米颗粒生物样品复温能大大提高细胞存活率。系统验证了低温保存材料的导热系数及对流换热系数，理论与实验探索了较大生物组织的玻璃化保存。提出了一种基于贪婪搜索的竞争优化新算法，高效地实现了冷冻低温保存过程细胞的识别、实时追踪和图像分割，极好地解决了这一领域的难题。在项目执行中，发现了一系列新现象，并且修正或建立了新的理论模型或实验方法。提出了一批新的设计思想和对已有装置和仪器的改进思想，并获得了授权专利技术13项，已发表了高水平学术期刊论文28篇，接收待发表2篇，培养了博士毕业生2名，硕士毕业生8名，在读国内和国际研究生22名。