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在低温冷冻保存（cryopreservation）中，手动操作玻璃化（vitrification）流程难以标准化。研究人员开发了一款低成本、便携且兼容多种容器的自动化设备。该设备性能可靠，冷却速率与手动相当，为生物样本冷冻保存提供了更优方案。
在生物医学领域，低温冷冻保存技术至关重要。它能够让细胞、组织、器官乃至整个生物体在极低温度下长期保存，在再生医学、药物研发、辅助生殖技术、生物多样性保护以及器官移植等众多方面都发挥着关键作用。玻璃化作为一种 “无冰” 的冷冻保存方法，通过在快速冷却前给生物样本加载高浓度的冷冻保护剂（CPAs ，如二甲亚砜、甘油、乙二醇等），使样本在玻璃态、玻璃质状态下保存，从而避免冰晶形成对样本造成损伤。
然而，目前的玻璃化操作面临诸多挑战。一方面，样本冷却时需要超过临界冷却速率（CCR）以避免冰晶结晶，同时温度要低于玻璃化转变温度（Tg）才能使材料成为非晶态固体。但随着冷冻保护剂浓度增加，虽然临界冷却速率会降低，却带来了高浓度冷冻保护剂的毒性问题。为了减少毒性，只能优化冷却和复温速率，这就对冷却过程提出了更高要求。另一方面，实际操作中样本容器在浸入液氮时，会先经过一层因液氮蒸发形成的氮气蒸汽层，容器必须快速穿过这一层，否则冷却速率会大幅下降，极端情况下还会促使冰晶形成。当容器浸入液氮后，容器和液氮之间的温差会引发液体向蒸汽转变，形成莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）效应，这层蒸汽像绝缘层一样包裹容器，进一步降低冷却速率。而且，这些现象受蒸汽层厚度、样本容器速度、容器浸入方向和几何形状等多种因素影响。正因如此，手动操作时很难在不同使用者之间实现玻璃化流程的标准化，导致生物样本的存活率在不同操作人员之间差异显著。
为了解决这些难题，有研究人员开展了相关研究。他们致力于开发一款低成本、便携且能与多种生物样本容器兼容的自动化玻璃化设备。经过努力，研究取得了一系列成果，相关论文发表在《Cryobiology》杂志上。
研究人员在这项研究中运用了多种技术方法。在设备构建方面，利用市售材料和 3D 打印技术制作设备部件，通过步进电机驱动线性致动器，实现 3D 打印机械臂在垂直平面的运动，从而将样本快速浸入液氮。温度测量则选用了直径为 0.05mm（COCO - 002，Omega Engineering Inc.，热电偶 A）或 0.25mm（COCO - 010，Omega Engineering Inc.，热电偶 B）的 T 型细丝裸线热电偶，根据预期冷却速率选择不同厚度的热电偶，以实现对温度的精准测量。
下面来看具体的研究结果：
- 设备设计：该设备旨在利用市售和 3D 打印部件，打造一款低成本的自动化玻璃化设备，使其能快速将样本浸入液氮，且冷却速率与手动浸入相当，同时减少浸入速率的可变性。从设计原理来看，设备主要由步进电机驱动线性致动器构成。
- 温度测量：采用特定的 T 型热电偶进行温度测量，其具备在噪声和灵敏度之间的良好平衡，性能经过充分验证，能够可靠测量低至 - 196°C 的温度。
- 结果与讨论：研究成功设计出了价格亲民、自动化且便携的玻璃化设备。该设备可实现生物样本的超快速冷却，适用于多种玻璃化容器，包括输精吸管、冷冻网、多孔膜和玻璃化盒等。而且，经过验证，该设备在起始高度和浸入距离方面的相对误差小于 1.5%，表明其在操作过程中的定位精度和一致性很高。同时，自动浸入和手动浸入的冷却速率并无显著差异，进一步证实了设备的性能和可靠性。使用 0.25mL 输精吸管评估设备实际应用时发现，其冷却速率处于先前报告和计算预测的范围内，再次确认了设备的功能性。
- 总结：这款自动化玻璃化设备能够实现生物样本在液氮中的快速、可控浸入。与近年来开发的其他自动化玻璃化设备相比，它具有明显优势，不仅成本低、便于携带，还能与多种低温样本容器兼容，并且可以针对不同冷却速率进行编程设置。
综合研究结论和讨论部分，这款自动化设备意义重大。它有效解决了传统手动玻璃化操作以及现有自动化设备存在的诸多问题。在成本方面，降低了研究和应用的门槛，使更多科研机构和医疗机构能够负担得起；便携性则为不同场景下的样本冷冻保存提供了便利，无论是野外研究还是医疗现场应用都能适用；广泛的容器兼容性让它能满足各种生物样本的冷冻需求，不再受限于特定容器。此外，精确的冷却速率控制和可靠的性能保证了生物样本冷冻保存的质量和稳定性，提高了生物样本的存活率，为生物医学研究、临床治疗等领域的样本保存提供了强有力的技术支持，推动了低温冷冻保存技术的进一步发展和应用。
