冰晶的形成是导致生物材料在低温冷冻保存过程中遭受冷冻损伤的重要原因，因此控制冰晶形成对低温冷冻保存技术研究具有非常重要的作用。玻璃化法是目前最有效的冷冻保存方法，它可以避免因结冰对细胞造成的破坏作用。通常情况下，玻璃化法需要使用较高浓度的玻璃化溶液，然而这种高浓度的溶液又会对细胞产生毒性作用，因此，通过使用具有防冻活性的物质来抑制冰晶形成，降低玻璃化所需浓度，将是解决这一问题的有效途径。目前，这种防冻活性物质主要有天然大分子防冻蛋白(AFPs)、防冻糖蛋白(AFGPs)以及人工合成大分子聚乙烯醇(PVA)、聚丙三醇(PGL)等。其中，PVA具有与AF(G)Ps相似的防冻活性，由于价格低廉，可以批量生产等优点，因而是AF(G)Ps的理想替代品。 论文工作中，主要选用PVA作为玻璃化溶液添加剂，分别通过如下几个方面的实验详细考察了PVA在玻璃化研究与应用中所具有的效果。 首先利用差示扫描量热法(DSC)，对添加PVA(0-5％，v/w)的丙二醇(PG)和二甲基亚砜(DMSO)玻璃化水溶液进行了热分析实验，结果表明，PVA在玻璃化溶液中不仅对冰晶成核有抑制作用，对冰晶生长也有抑制作用，主要体现在降温阶段，PVA能增加溶液过冷，并使最终形成的玻璃态中自由水含量增加；在升温阶段，PVA能够使反玻璃化和重结晶延迟。 以PVA(0-1％，w/w)为添加剂，采用冻结浓缩的蔗糖—水玻璃体系为模型，利用DSC研究PVA对玻璃态松弛行为的影响。结果表明，PVA能够减缓玻璃态的结构松弛，使玻璃态的稳定性增加，表现在相同的老化时间下，玻璃化转变处热焓的恢复峰随PVA浓度增大而减小。另外，随PVA浓度增大，玻璃态的松弛过程倾向于减慢的趋势。 开发研制了一种具有可视化功能的差示扫描量热装置，即可视化DSC。该装置采用差示扫描量热法与低温显微镜相结合的测量手段，允许对样品进行DSC测量的同时能够对其微观结构变化进行实时观察，提高了数据获取的同步性与可靠性。 利用可视化DSC，进一步考察了PVA(0-3％，w/w)在1，2-丙二醇玻璃化溶液中对冰晶成核与生长的作用。其中，溶液的冻结温度与结晶焓采用DSC进行测量，冰晶在降温过程的生长状态采用显微镜摄像系统观察并记录，通过冰晶生长的显微镜照片分析得到溶液中冰晶份数随温度的变化关系，并利用相图中的杠杆规则，描述溶液在冻结浓缩过程中浓度随温度的变化关系。结果证明，PVA不仅能够有效抑制玻璃化溶液中冰晶成核，同时对冰晶生长也有抑制作用。PVA在玻璃化溶液中对冰晶生长抑制的作用机理主要有两个方面的因素，即质量传输与冰晶表面动力学。PVA的高黏度特性，影响溶液中水分子扩散，使质量传输成为冰晶生长速率的主控因素。伴随冰晶生长过程，液相的溶液逐渐浓缩，冰晶生长的速率逐渐减慢，当速率减慢至一个临界值，约0.1mm/h时，PVA的防冻活性表现出来，体现在冰晶生长速率的骤然下降。 根据上述实验结果，优化出一种含有PVA的玻璃化冻存液，并将这种冻存液应用于脐血间充质干细胞的冷冻保存实验研究，其中考察了两种不同的冷冻复温方案，即使用可视化DSC进行的程序性慢速冷冻与慢速复温，以及直接投入液氮快速冷冻与水浴快速复温。结果表明，采用可视化DSC进行程序慢速冷冻与慢速复温之后，能够获得较多的存活细胞。将冷冻与升温速率加快，采用直接投入液氮的快速玻璃化冻存与快速水浴复温，使解冻之后的细胞活率高达95％以上。这表明，即使是在慢速冷冻与慢速复温过程中，PVA也能发挥冰晶的抑制作用，从而保护细胞免受损伤。因此采用快速玻璃化冻存与快速复温之后得到的细胞高活率有其合理性和必然性。此外，利用可视化DSC所得到的DSC曲线表明，向玻璃化溶液中引入细胞与细胞悬液等并不会影响PVA对冰晶的抑制效果。