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  低溫冷凍保存是上個世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來的一種在低溫或超低溫條件下保存細(xì)胞、組織和器官等生物材料的技術(shù)，能夠有效保證生物材料的遺傳和形態(tài)穩(wěn)定性，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而在低溫保存過程中冰晶的不可控生長會大大損傷細(xì)胞等保存對象。目前采用的冷凍保存液，比如甘油、二甲基亞砜等，有抑制冰晶生長效率低、高毒性和使細(xì)胞脫水死亡的問題。

  最近，中國科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷重點(diǎn)實驗室研究員王健君與中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所副研究員石國升、研究員方海平合作，基于抗凍蛋白能使生活于寒冷地區(qū)的生物體避免冰凍造成危害的特性，深入研究了抗凍蛋白能夠有效地降低結(jié)冰溫度、抑制冰晶生長和重結(jié)晶的作用機(jī)制。發(fā)現(xiàn)這類蛋白的冰吸附面（ice binding face）上親疏水相間官能團(tuán)（甲基和羥基）的有序排列，使其表面形成類冰水，從而能夠選擇性吸附到冰晶表面，抑制冰晶的生長（PNAS, 2016, doi: 10.1073/pnas.1614379114）。

  受到抗凍蛋白的啟發(fā)，他們根據(jù)氧化石墨烯（GO）特有的碳骨架結(jié)構(gòu)，開展了GO調(diào)控冰晶生長的研究。研究發(fā)現(xiàn)GO不但能有效地抑制冰晶生長和重結(jié)晶，而且能修飾冰晶形貌。分子動力學(xué)的模擬結(jié)果顯示GO表面具有穩(wěn)定的類冰水，使得GO更傾向于與固態(tài)的冰形成穩(wěn)定氫鍵，從而在大量液態(tài)水存在的條件下能夠選擇性地吸附到冰晶的表面。GO吸附到冰晶表面后，在GO間冰晶形成曲面，通過Gibbs-Thompson效應(yīng)抑制冰晶生長（圖1）。

  他們也首次將GO應(yīng)用于低溫冷凍保存細(xì)胞。當(dāng)選用GO作為冷凍保存劑時，與商業(yè)化的抗凍劑相比，GO展現(xiàn)出了非常優(yōu)異的冷凍保存效果，加入0.01 wt%的GO即可將馬精子活力從24.3%提高到71.3%（圖2）。這一研究發(fā)現(xiàn)不但拓展了二維材料的應(yīng)用領(lǐng)域，而且大大加深了人們對冰晶形成分子層面的理解。該工作發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 997 –1001）。

圖1 氧化石墨烯上含氧基團(tuán)的特殊排列結(jié)構(gòu)與冰晶形成的氫鍵并能有效抑制冰晶生長和修飾冰晶形貌

圖2 氧化石墨烯抑制冰晶重結(jié)晶效果顯著并首次用做低溫保存劑