低温保存过程中的结晶与渗透行为是传热与传质过程相互耦合作用的一个“黑匣子”问题，至今国际上都缺少定量化评估手段。2018级博士生占太杰（现已入职我院博士后）创新性提出利用拉曼光谱技术定量评估细胞慢速冻存过程中的胞内外保护剂浓度变化特点和微液滴淬冷玻璃化过程中的内部的结晶程度差异，一定程度上验证了“两因素假说”中的重要结晶与渗透过程关键相互作用机制。相关重要结果连续发表在分析化学领域重要期刊Analyst (中科院二区，JCR: Q1)上，其中一篇为封面论文（Taijie Zhan, Wenya Niu, Mengdong Cui, Hengxin Han, Ding Wang, Yi Xu*. Quantitative assessment on intra/extracellular Dimethyl sulfoxide concentration during freezing with low-temperature confocal Raman micro-spectroscopy[J]. Analyst, 2023,148: 47-60（封面论文）; Taijie Zhan, Wenya Niu, Mengdong Cui, Hengxin Han, Hangyu Dang, Ning Guo, Ding Wang, Yan Hao, Chuanbao Zang, Yi Xu*, Hanming Guo. A study on the relationship between the crystallization characteristics of quenched droplets and the effect of cell cryopreservation with Raman spectroscopy[J], Analyst, 2023,148: 3312-3320.）。其相关研究内容已经获得2023年度国家自然科学青年基金项目支持，占太杰博士为项目负责人。
图1封面文章 图2 拉曼光谱定量评估淬冷液滴内部玻璃化程度
2020级博士生郭宁围绕载有低温保护剂的冻存管在液氮淬冷过程中逆Leidenfrost效应的气膜消涨规律和沸腾传热特性进行研究，创新地采用高速摄像和图像处理技术实现了低温流体中沸腾状态可视化，获得气膜厚度、界面速度和波长以及气膜波动频率等参数，证实了影响低温保护剂与液氮之间传热的主要因素是管壁材料的低导热率而不是气膜层。相关研究成果发表在热物理领域TOP期刊APPLIED THERMAL ENGINEERING（中科院二区，JCR: Q1）（Ning Guo, Mengdong Cui, Taijie Zhan, Guoliang Yang, Hangyu Dang, Hengxin Han, Yi Xu*, Xinli Zhou. Liquid-vapor interface behaviors during fast freezing of cryoprotectants in Liquid Nitrogen quenching with image processing, in press, 2023）。该成果对理解低温保存生物材料淬火过程中的关键问题具有重要意义，调控气膜和增强传热的相关工作在继续深化中。
图3聚丙烯管的气膜变换及波动特性 图4样品侧壁及中心位置的降温曲线
冷冻溶脂是一种非常受欢迎的非侵入性减脂技术，其利用特定的制冷装置对脂肪组织进行降温来诱导脂肪细胞凋亡。从生物传热角度对这一过程进行认知是揭开其降温传热特性和优化其溶脂性能的关键所在，目前在国际上还处于起步阶段。2020级博士生杨国梁通过构建人体腹部皮肤-脂肪-肌肉模型，利用数值仿真理论和方法对冷冻溶脂的降温特性、工艺参数和溶脂效果等进行了深入研究，系列成果分别发表在国际热科学领域重要期刊International Journal of Thermal Sciences(中科院二区，JCR: Q1)（Guoliang Yang, Hangyu Dang, Ning Guo, Mengdong Cui, Yi Xu*. A Comparative Study on the Cooling and Lipolytic Effects of Plate and Vacuum Suction Cryolipolysis Applicator Using Simulation. International Journal of Thermal Sciences, Volume 195, 2024, 108638）和激光外科医学领域重要期刊Lasers in surgery and medicine（中科院二区，JCR: Q1）（Yang G, Dang H, Guo N,Cui M, Xu Y*.Structural design optimization and lipolytic effect prediction of vacuum suction cryolipolysis applicator: Simulation study. Lasers Surg Med. 2023;1–14.）。上述系列成果直观揭示了冷冻溶脂过程的传热特性，对于强化冷冻溶脂降温过程的理解以及推动相关装置的开发优化和临床应用具有重要指导作用。
图5冷冻溶脂结构优化后的降温特性变化 图6两类冷冻溶脂装置的降温特性及溶脂效果
快速均匀复温是生物样本低温保存过程中的关键一环，也是限制目前生物样本低温保存后活性的瓶颈问题。2021级博士生韩恒鑫设计了一种可用于低温保存的快速电加热复温芯片，实现了不同体积的生物样品的均匀快速复温。与激光纳米复温或磁感应加热复温相比，同样封装体积下复温速率可提升约2个数量级。成果发表于化学领域传统TOP期刊LANGMUIR（Han Hengxin, Xu Yi*. Investigation of Rapid Rewarming Chips for Cryopreservation by Joule Heating[J]. Langmuir, 2023, 39(31): 11048-11062.中科院二区，JCR: Q2）。这项工作为生物样本的低温保存提供了有效的复温方案，可以显著提高低温保存后单细胞和细胞球体活性。
图5低温保存的快速电加热复温芯片
上述成果得到了国家自然基金项目（No.52076140）资助，也体现了我校“上海市生物资源低温保藏技术服务平台”和“上海市肿瘤能量治疗技术与器械协同创新中心”等省部级平台夯实培养高质量人才措施的重要成效。
相关文章链接
1.https://doi.org/10.1039/D2AN01288J
2.https://doi.org/10.1039/D3AN00652B
3.https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121840
4.https://doi.org/10.1002/lsm.23634
5.https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2023.108638
6.https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c01364