低温保存技术发展至今已经在多种类生物样品的长期保存、器官移植、体外受精等应用上都取得了极大成果。目前大多数情况下的低温保存都采用相同的保存流程,但不同的样品有不同的特性,因此很难达到最佳低温保存存活率,尤其是对一些珍贵的样品,采用传统方式保存会造成浪费和损失。此外,传统的低温保存过程需要大量的手工操作和多次样品的转移,容易造成测量误差和样品污染。因此本课题利用微流控技术对细胞膜与低温保存相关的性质进行研究,并且研制了用于低温保存流程中升温与降温和保护剂添加与去除的集成微流控芯片。本文依据两参数法对恒温条件下水和渗透性低温保护剂跨细胞膜传递的过程建立了数学模型。利用一种具有台阶微结构的微流控芯片,捕捉并在两种温度下观测了细胞分别在渗透性和非渗透性保护剂中的渗透反应。利用图像处理和物质跨细胞膜传递的数学模型参数拟合求解获得了细胞对于水和二甲基亚砜（DMSO,Dimethyl sulfoxide）的通透率,建立细胞动态温度条件跨膜传质过程的数学模型。在单细胞捕捉微流控芯片的基础上,制备一种用于研究细胞膜性质与温度变化关系的,具有微型金质温控电极的微流控芯片。利用该芯片实现片上加热和测温。根据片上温控系统测量的温度特性曲线以及实际低温保存中的跨膜传质现象,依照时间-温度-变温速度和时间-细胞体积的耦合关系,将恒速变温条件水跨细胞膜传递的数学模型进行优化为动态变温条件水跨细胞膜传递的数学模型进行优化,对多种情况下的细胞渗透性体积变化过程进行数值模拟,研究最优的细胞升降温条件。调整参数拟合求解的方法,更有效的利用实验数据,并且更准确的获得细胞膜在动态温度下的性质。针对低温保存过程中的降温和复温过程的集成化,本文结合光刻,湿法刻蚀与软刻蚀技术,研究一种基于氧化铟锡（Indium-Tin Oxide,ITO）玻璃和聚二甲基硅氧烷（PDMS,Polydimethylsiloxane）的高透明多层微流控芯片,将多组温度控制元件在片上进行集成,实现多区域独立的大范围温度控制,其温度范围和温度变化速度满足前述研究中得到的细胞降温和复温的要求。对片上的微加热器加热性能和加热范围进行测试研究,对微温度传感器进行4到80℃的标定和性能测试,搭建温度控制系统并进行测试,根据热像仪记录的温度分布及多物理场仿真获得的流道内温度分布对多种布局的微加热器进行比较和分析。对片上冷却流道在室温以上和室温以下等多种工况的冷却效果进行理论、试验和仿真的测试并与自然降温的情况进行对比。将动态温度水跨细胞膜传递的数学模型与实际片上冷却的温度曲线结合,对动态降温过程中的细胞渗透性体积变化过程进行数值模拟和分析。针对微型化低温保存过程中的降温时保护剂浓度渐进浓度添加、复温后保护剂的去除、以及样品的重悬浮等难点,本文依据优化过的低温保护流程研究一种集成保护剂梯度浓度生成、生物样品添加过程中主动混合、样品离心富集、保护剂去除以及样品重悬浮收集功能的小量样品处理微流控芯片。在研究中对不同芯片制备材料进行比较和选择;提出一种注射泵结合负压自吸入的用于梯度浓度生成的上样方式,并进行实验比较;提出一种用于片上混合的气动片上混合微阀,对其在辅助混合时的动态响应特性和样品混合效果进行研究和测试;对芯片中样品离心,富集以及保护剂去除的方式进行研究和测试;对片上微阀辅助的样品团聚物重悬浮过程进行测试。本课题研究的微流控芯片能够实现动态温度单细胞的渗透性体积变化观察,片上的温度控制和主动混合等功能,结合动态温度跨膜传质模型的数学模型,可以为改进传统低温保存研究方法和操作流程提供指导。