氧化石墨烯控制冰晶生長并應用于低溫細胞保存

劉忠范

(北京大學化學與分子工程學院，北京 100871)

氧化石墨烯控制冰晶生長并應用于低溫細胞保存

劉忠范

(北京大學化學與分子工程學院，北京 100871)

(1) Rubinstein,P.;Dobrila,L.;Rosenfield,R.E.;Adamson,J.W.;Migliaccio,G.;Miqliaccio,A.R.;Taylor,P.E.;Stevens,C.E.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.1995,92(22),10119.doi:10.1073/ pnas.89.19.8953

(2) Carpenter,J.F.;Hansen,T.N.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.1992,89(19),8953.doi:10.1073/pnas.89.19.8953

(3) Gao,D.Y.;Mazur,P.;Kleinhans,F.W.;Watson,P.F.;Noiles,E. E.;Critser,K.Cryobiology1992,29(6),657.doi:10.1016/0011-2240(92)90068-D

(4) Yeh,Y.;Feeney,R.E.Chem.Rev.1996,96(2),601.doi:10.1021/ cr950260c

(5)Raymond,J.A.;Fritsen,C.;Shen,K.FEMS Microbiol.Ecol.2007,61(2),214.doi:10.1111/j.1574-6941.2007.00345.x

(6) Liu,K.;Wang,C.;Ma,J.;Yao,X.;Fang,H.P.;Song,Y.L.;Wang,J.J.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2016,doi:10.1073/ pnas.1614379114

(7) Liou,Y.C.;Tocilj,A.;Davies,P.L.;Zongchao,J.Nature2000,406(6793),322.doi:10.1038/35018604

(8) Knight,C.A.Nature2000,406(6793),249.doi:10.1038/35018671

(9) Geng,H.Y.;Liu,X.;Shi,G.S.;Bai,G.Y.;Ma,J.;Chen,J.B.; Wu,Z.Y.;Song,Y.L.;Fang,H.P.;Wang,J.J.Angew.Chem.Int. Ed.2016,doi:10.1002/anie.201609230

10.3866/PKU.WHXB201612211

低溫冷凍保存是20世紀70年代迅速發展起來的一種在低溫或超低溫條件下保存生物大分子、細胞、組織和器官等生物材料的技術1，能夠有效保證生物材料的遺傳和形態穩定性，在生物學、醫學、農學等領域具有廣泛的應用前景。雖然采用程序控溫保證了冷凍過程中產生無定形冰晶，避免了冰晶的傷害；但是在復蘇過程中，冷凍保存液、細胞和生物組織內部的冰晶會持續生長損傷保存對象，而冰晶損傷是低溫冷凍保存中對保存對象造成的最主要的傷害2。目前主要是通過調整冷凍保存液的組成來盡量減少冰晶的形成和重結晶，比如通過加入甘油、二甲基亞砜等小分子。但是，這些分子抑制冰晶重結晶效率低，而且使用后無法全部去除；高濃度的抑制劑還會改變細胞膜外滲透壓導致細胞脫水，對細胞構成很大的危害3。抗凍蛋白是生活于寒冷地區的生物體為適應低溫環境而產生的一類能避免冰凍對生物體造成危害的蛋白質4；抗凍蛋白能夠有效地降低結冰溫度，抑制冰晶生長和重結晶5。抗凍蛋白的作用機制主要在于這類蛋白的冰吸附面(ice binding face)上親疏水相間官能團的有序排列6，使其表面形成類冰水，能夠選擇性吸附到冰晶表面，抑制冰晶的生長7。

受到抗凍蛋白的啟發，中國科學院化學研究所王健君研究員課題組和中國科學院應用物理研究所方海平研究員課題組合作，根據氧化石墨烯(GO)特有的碳骨架結構，開展了 GO 調控冰晶生長的研究。研究發現GO不但能有效地抑制冰晶生長和重結晶，而且能修飾冰晶形貌。分子動力學的模擬結果顯示GO表面具有穩定的類冰水，使得GO更傾向于與固態的冰形成穩定氫鍵，從而在大量液態水存在的條件下能夠選擇性吸附到冰晶的表面。GO吸附到冰晶表面后，在GO間冰晶形成曲面，通過 Gibbs-Thompson 效應抑制冰晶生長8。

他們也首次將GO應用于低溫冷凍保存細胞。當選用GO作為冷凍保存劑時，與商業化的抗凍劑相比，GO展現出了非常優異的冷凍保存效果，加入 0.01%(w，質量分數)的 GO 即可將馬精子活力從24.3%提高到 71.3%。這一研究發現不但拓展了二維材料的應用領域，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 表 在Angewandte Chemie International Edition上9。