清华大学开展雪人状Janus纳米杂化材料技术探索
发布时间：
2025-12-15
冷冻保存技术作为细胞治疗、再生医学、器官移植及生物资源保存的关键支撑，长期受限于冰晶损伤——从单细胞到复杂器官，冰晶形成、扩散与复温重结晶会逐级放大结构与功能破坏。近日，清华大学深圳国际研究生院耿洪亚助理教授团队在跨尺度生物样本冷冻保存领域取得突破性进展，相关成果发表于国际顶级期刊《先进材料》，为解决低温抑冰与高效复温两大核心难题提供了创新方案。
针对传统冻存技术难以兼顾微观抑冰与宏观均匀升温的痛点，团队基于前期抗冻多肽与抑冰-光热纳米冻存剂研究，设计出雪人状Janus纳米杂化材料（VPF），通过“抑冰-升温”双主线协同策略，实现跨尺度冻存的双重突破。该材料由磁性Fe₃O₄纳米颗粒与光热聚吡咯（PPy）不对称组装而成，形似“雪人”：Fe₃O₄通过强水合作用破坏冰-水界面氢键网络，削弱水分子与冰的匹配；PPy贴合冰晶表面形成微曲界面，利用Gibbs-Thomson效应抑制重结晶，并驱动水分子向亲水“头部”转移。分子动力学模拟显示，此结构使冰晶平均面积减少98.4%，抑冰效率显著提升。
在复温环节，VPF依托光热-磁热协同原理，在交变磁场与近红外光作用下动态旋转，实现“热源自内而外”的体相加热，彻底消除温度梯度与热应力。实验表明，其升温速率超920℃/min，可穿透数厘米厚组织，安全跨越结冰危险温度区间，为器官级冻存提供了此前难以企及的复温条件。
应用验证中，该材料展现出广泛适配性：人脐静脉内皮细胞、间充质干细胞等保持高活性；益生菌无DMSO时仍保留86%活性；神经细胞球在低浓度冷冻保护剂下完整保留3D结构与功能；50mL级猪气管样本的纤毛、胶原分布及力学性能与新鲜组织高度一致。此外，VPF的磁响应特性可实现98%以上快速分离，大幅降低操作难度，为GMP转化铺路。
该研究提出的通用冻存策略，为构建高质量类器官库、推动精准医疗及细胞与组织制剂产业化提供了关键技术支撑。从破解冰晶损伤的底层逻辑到实现跨尺度高效冻存，该突破不仅为再生医学注入新动能，更为“器官级冻存”从愿景迈向现实提供了新的技术方案，为生命资源的长期保存与精准利用开辟了新路径。
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