突破瓶颈，新技术有望解决冷冻器官破裂难题

发布时间：

2025-11-28

当生物组织在-196℃的液氮中可无限期保存而不失活性，“器官银行”的愿景便不再只是科幻情节，而将化为挽救数百万生命的医学现实。近日，美国德克萨斯农工大学机械工程系研究团队在《科学报告》发表的研究成果，为这一愿景再添关键一步。该发现建立在2023年明尼苏达大学成功移植冷冻保存大鼠肾脏的里程碑实验基础上，为器官长期冷冻保存从理论迈向临床应用增加了新的着力点。

热应力开裂：器官冷冻保存的核心挑战

在深低温保存技术中，玻璃化冷冻为实现生物样本的长期稳定保存提供了关键途径。该技术通过将生物材料在低温下转化为非晶态玻璃状固体，有效避免冰晶形成对细胞结构的破坏。2023年，明尼苏达大学成功将冷冻保存的大鼠肾脏移植并恢复功能，实现了该领域的里程碑突破。

然而，当技术应用从体积较小的啮齿类器官扩展到人体大体积器官时，尺度效应带来了全新挑战。成人心脏重约300克，体积达数百立方厘米，其热容量和传热路径的复杂性使得快速均匀冷却变得极为困难。在-196℃的液氮环境中，温度不均匀性引发的热应力成为导致器官裂纹的主要原因——当器官外层已玻璃化收缩时，内部仍保持原有体积，这种差异产生的张应力一旦超过材料断裂强度，就会形成贯穿性裂纹。

传统解决方案多从外部热管理入手，如优化降温程序、引入电磁加热等手段。然而，这些方法并未从根本上解决材料本身对热应力的敏感性问题。更为关键的是，现有研究中使用的玻璃化溶液种类单一，其玻璃化转变温度普遍集中在-120℃至-130℃之间，缺乏对溶液本身热机械性能的系统探索。

创新突破：高玻璃化转变温度有效抑制开裂

德克萨斯农工大学Matthew J. Powell-Palm团队采用实验+模拟+人工智能图像分析三者结合的研究路径，开创性地建立了玻璃化转变温度与热应力开裂之间的定量关系。

研究团队设计了四种具有不同玻璃化转变温度的二元水溶液（DMSO、甘油、木糖醇、蔗糖），其Tg跨度超过50℃。通过自主搭建的“低温宏观成像平台”，对样品在液氮中玻璃化及回温过程进行高清拍摄，并利用基于DeepLab v3+的语义分割深度学习模型，精准量化裂纹面积与分布。

实验结果呈现明确规律：Tg越高的溶液，开裂面积显著越小。例如，Tg为-82℃的蔗糖溶液几乎无裂纹，而Tg为-131℃的DMSO溶液则出现大面积开裂。定量分析显示，转变温度每提高10℃，裂纹发生概率降低约30%到40%。

团队通过热-力耦合有限元模型进一步揭示了其物理机制。结合“Tg与热膨胀系数成反比”理论，研究发现高Tg溶液具有更低的热收缩率和更充分的应力松弛时间，从而在降温过程中积累的应力更小，不易达到材料的断裂强度。

应用前景：为下一代低温保存技术提供新思路

这项研究在理论与实践层面均具有重要意义。在学术层面，它首次明确了玻璃化转变温度作为热应力调控关键参数的作用，建立了“热力学性质-热应力-破裂风险”的关联模型，为低温生物力学研究提供了新的分析框架。

在实践层面，该研究成果为应对深低温保存中的热应力挑战提供了新的思路：新型低温保护剂开发：研究启示，未来可考虑优选高分子量糖类等成分，探索构建具有更高玻璃化转变温度、且生物相容性良好的复合溶液，以规避传统低Tg溶液的固有风险；大体积器官保存研究：高Tg溶液展现出的抗开裂与更宽的抗结晶窗口，为提升大体积器官玻璃化保存的成功率提供了潜在研究方向；推动技术发展：热应力开裂是器官玻璃化保存走向临床应用的关键障碍之一。本研究提出的设计策略，为从材料端解决这一瓶颈问题提供了可能的路径。

未来展望：为器官银行建设提供技术积累

随着深低温医学的研究对象从细胞、组织扩展到完整器官，解决热应力问题变得愈发关键。Powell-Palm团队的研究表明，从溶液本身的热物理属性出发，主动调控其玻璃化转变温度，或许是实现高质量玻璃化保存的一个有效策略。

当生物组织能够在深低温下实现长期、完整的保存时，建立可用于移植的“器官银行”便具备了技术上的初步可能性。这项研究成果，正是为实现这一长远目标，在科学与技术基础层面迈出的坚实一步。随着相关技术的持续迭代，曾经停留在科幻小说中的器官银行或步成为现实，为全球数百万等待器官移植的患者带来生命希望。

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