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细胞在低温保存时,必须经历从室温到低温(通常是-196℃),再从低温回复到生理状态的降温和升温两个过程,可能两次遭受由于结冰而引起的一系列损伤的威胁。因此,避免细胞内外冰晶的形成和生长,是低温保存获得成功的最重要问题之一。80年代发展起来并日益受到广泛重视的生物材料玻璃化低温保存,是使细胞及其保护剂溶液以足够快的降温速率,过冷到所谓玻璃化转变温度,而被固化成完全的玻璃态(或非晶态),并以这种玻璃态在低温下长期保存。由于在这一过程中,细胞内外完全避免了结晶,从而得以避免通常的平衡冻结方法中,由于结冰可能引起的各种损伤,如胞内外冰晶的机械损伤、溶液损伤、渗透压损伤等。成功的玻璃化低温保存,除了在降温过程中要避免结晶固化,还应在复温过程中避免反玻璃化,即避免由玻璃态向晶态的转变。常温下,纳米微粒能够显著增强溶液的传热性能。将纳米微粒添加到低温保护剂溶液中,从纳米微粒和低温保护剂种类两方面对复温过程中溶液的热物性能、冰晶形貌、冰晶分数以及生长速率影响的角度来深入了解水分子结晶的物理机理,分析影响冰晶生长属性的各个因素以寻找抑制冰晶生长的手段,这对于研究低温保护剂溶液复温再结晶/反玻璃化的预防措施,降低冰晶的损伤,进而提高低温保存的存活率具有非常重要的意义。本课题利用差示扫描量热仪(DSC)和低温显微镜系统研究了添加和未添加羟基磷灰石(HA)纳米微粒的丙三醇和聚乙二醇(PEG-600)溶液复温过程中的热物性能、反玻璃化和再结晶现象。主要内容如下:1、采用超声振荡方法制备了含有60nm,0.5%(w/w)HA纳米微粒的PEG-600溶液,并应用重力沉降法和分光光度法检测其均匀稳定性。实验结果表明,超声功率和震荡时间是影响纳米悬浮液稳定性的主要因素。超声功率200W,震荡时间3h条件下可获得均匀稳定的纳米悬浮液,配制的纳米低温保护剂在12h内不会发生明显的团聚或沉淀现象。2、利用低温显微镜系统和DSC研究了含有不同粒径(20nm、40nm、60nm)和不同质量浓度(0.1%、0.2%、0.4%、0.8%)HA纳米微粒的PEG-600(50%,w/w)溶液在复温过程中的反玻璃化和再结晶现象。结果表明,与未添加纳米微粒的PEG-600溶液相比,加入40nm、0.4%纳米微粒的溶液的反玻璃化温度升高了7℃。加入20nm、0.4%和40nm、0.8%纳米微粒的PEG-600溶液的冰晶生长温度区间分别增大了35%和减小了50%。纳米低温保护剂溶液的冰晶形貌从大圆形变成了小圆形、枝晶或小圆形中夹带枝晶。3、利用低温显微镜系统研究了含有不同粒径(20nm、40nm、60nm)、质量浓度为0.5%HA纳米微粒的丙三醇溶液(40%,w/w)在不同温度变化速率(5℃/min、10℃/min、15℃/min)下的降温和升温过程。实验结果表明,随着温度变化速率的增大,含60nm纳米微粒的丙三醇溶液,冰晶的成核温度从-40℃降低到-50℃;含20nm纳米微粒的丙三醇溶液,冰晶的融化起始温度从-70℃升高到-60℃。对于含40nm纳米微粒的丙三醇溶液,温度变化速率为10℃/min的溶液的冰晶属性差异显著。相比未添加、添加20nm和40nm纳米微粒的丙三醇溶液,添加60nm纳米微粒的丙三醇溶液无溶质分子淀析现象。4、利用低温显微镜系统和DSC研究了含有不同粒径(20nm、40nm、60nm)和不同质量浓度(0.1%、0.5%)HA纳米微粒的渗透性丙三醇(60%,w/w)和非渗透性PEG-600(50%,w/w)溶液在复温过程中的反玻璃化和再结晶现象。结论如下:加入不同粒径(20nm、40nm、60nm)HA纳米微粒的PEG-600溶液,随着纳米微粒的浓度从0.1%增加至0.5%,反玻璃化峰都从单峰变成了双峰。添加纳米微粒对丙三醇和PEG-600溶液的反玻璃化起始温度影响显著,而对反玻璃化峰的终止温度没有影响。丙三醇和PEG-600溶液在复温过程中的冰晶形貌分别为枝状和球形,且两者冰晶的形貌均不随添加纳米微粒粒径和质量浓度的不同而改变。与未添加纳米微粒的丙三醇溶液相比,添加60nm、0.1%纳米微粒的丙三醇溶液的析晶分数显著减少,在-45℃时,仅为未添加纳米微粒溶液的2/5。PEG-600溶液在-64℃~-54℃区间内的析晶分数显著增加,在此区间范围内,未添加纳米微粒的PEG-600溶液的析晶分数从5%增加至97%。5、利用低温显微镜系统和DSC进一步研究了含有不同粒径(20nm、40nm、60nm)和不同质量浓度(0.1%、0.5%)HA纳米微粒的丙三醇(60%,w/w)和PEG-600(50%,w/w)溶液在复温过程中的热物性能和冰晶的生长速率。结论如下:添加纳米微粒对丙三醇和PEG-600溶液的玻璃化转变温度和融化温度没有影响。在丙三醇溶液中,添加纳米微粒对溶液的反玻璃化焓值和融化焓值影响显著,而在PEG-600溶液中,反玻璃化焓值和融化焓值均不随添加纳米微粒而改变。冰晶的生长速率存在两个极大值现象,而添加40nm、0.5%纳米微粒的丙三醇溶液、未添加和添加60nm纳米微粒的PEG-600溶液的冰晶的生长速率都只有一个极大值。