交变磁场诱导磁纳米粒子快速加热较大体积玻璃态生物材料的关键问题研究

So far, vitrification is still thought as the best form for long-term storage of cryopreserved biomaterials. Unfortunately, practical application of vitrification has been limited to smaller systems and due to some limitations of conventional heating methods those preclude its use in larger bulk organs and tissues (the characteristic size is more than 1mm). To circumvent this problem, we propose here to use low-medium frequency (less than 1MHz) alternating magnetic field (AMF) to excite magnetic nanoparticles (mNPs) uniformly distributed within vitrified biomaterials. This approach can be expected to obtain faster and more uniform heating rates, which has the potential to dramatically eliminate devitrification and thermal stress associated cracking to improve viability and structural integrity upon heating. In current proposal, three critical issues such as the distribution characteristics of mNPs loaded into both cryoprotective agents (CPAs) and biomaterials, the physicochemical properties of the mixed systems of mNPs+CPAs+biomaterials upon freezing and heating as well, and the quantitative assessment methods for mNPs heating by AMF with experiments and theoretical models, will be explored to optimize the performing system(mNP, CPA and applied field parameters) for successfully fast heating of larger bulk vitrified biomaterials. Importantly, the research proposed here will be very helpful for long-term storage of donated orgains and clinical application as well.

玻璃化一直被认为是生物材料长期低温保存效果最好的方式，但它目前仅成功应用于小型生物系统，而对于较大型玻璃态组织或器官（特征尺寸>1mm），则由于传统复温方式的局限性，使得其至今没有得到成功应用。本项目提出利用中低频交变磁场（频率<1MHz）诱导均匀分布在玻璃态生物材料中的磁纳米粒子进行加热，有望实现快速而均匀的加热目的，从而消除较大体积玻璃态生物材料复温时伴随的反玻璃化损伤和热应力损伤，使得生物材料在复温过程中保持细胞和宏观结构的完整性。项目拟探索三个方面的基础性关键问题：（1）磁纳米粒子在低温保护剂和生物材料体系中的加载方法和分布均匀性；（2）这三者复合体系在冻融过程中的物理化学特性；（3）较大体积玻璃态生物材料磁热复温效果的定量评估方法。该项目的实施有利于寻求较大型玻璃态组织器官的理想复温控制方法，对捐献组织器官的长期贮存和临床应用具有重要意义。

玻璃化一直被认为是生物材料长期低温保存效果最好的方式，但它目前仅成功应用于微小尺度的细胞或组织，而对于较大型玻璃态组织或器官（特征尺寸>1mm），则由于传统复温方式的局限性，使得其至今没有得到成功应用。本项目提出了利用中低频交变磁场（频率<1MHz）诱导均匀分布在玻璃态生物材料中的磁纳米粒子进行加热，有望实现快速而均匀的加热目的，从而消除较大体积玻璃态生物材料复温时伴随的反玻璃化损伤和热应力损伤，使得生物材料在复温过程中保持细胞和宏观结构的完整性。.项目探索了8个关键问题：（1） “典型CPA+mNPs”溶液体系冻融过程的物理化学特性及参数测量；（2）生物材料中加载CPA和mNPs的工艺优化及其扩散理论分析；（3）较大体积玻璃态生物组织和器官冻融过程关键参数测量；（4）冷冻玻璃态组织和器官内部结构完整性以及mNPs分布评估；（5）玻璃态样品磁热复温工艺优化及热应力评估；（6）玻璃化保存肾器官磁热复温后的细胞活性、结构完整性以及力学性能评估；（7）脱细胞肾器官及血管结构完整性及力学性能评估；（8）生物样本在液氮表面的逆Leidenfrost现象及相关机制。通过该项目的实施，达到了预期的研究目标，累计发表各类论文27篇，获得国家发明专利授权1项，申请发明专利3项，培养研究生14名，获批国家科技重大专项子课题1项。.总之，通过该项目的实施，探索出了较大型玻璃态组织器官的理想复温控制方法，不仅对捐献组织器官的长期贮存具有重要指导作用，还能减少因不正确复温方法导致不必要临床宝贵资源的浪费，这对于解决临床器官移植供体严重短缺具有重要的应用价值。

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