物理玻璃化与纳米复温技术在升尺度低温保护剂体积中的应用：迈向器官低温保存新纪元

本刊推荐：为解决人类器官尺度下玻璃化保存与复温的难题，研究团队开展了针对0.5-3升低温保护剂（CPA）体系的物理玻璃化与纳米复温技术研究。通过优化对流冷却方案，成功在3升体积中实现M22 CPA的无冰玻璃化，并利用新型120千瓦射频线圈与氧化铁纳米颗粒（IONP）介导的纳米复温技术，在2升体积中达成约88°C/min的均匀复温。该研究首次在物理层面验证了人类器官尺度玻璃化保存与复温的可行性，为器官银行（organ banking）的实现奠定了关键技术基础。

　　

在器官移植领域，最大的瓶颈之一是器官保存时间的极端有限性。当前，心脏、肝脏等器官在摘除后仅能维持数小时的活力，这极大地限制了移植手术的规划与器官的远距离调配。若能实现器官的长期低温保存——即构建“器官银行”——将彻底改变移植医学的格局。然而，尽管细胞和小组织片的低温保存已较为成熟，整个器官的低温保存尤其是人类尺度的器官保存，至今仍是一个遥不可及的目标。其核心挑战在于，在冷却和复温过程中，如何避免冰晶的形成和热应力导致的器官破裂，这两个物理过程会直接摧毁器官的结构和功能。

玻璃化（Vitrification）作为一种理想的解决方案，旨在将生物材料快速冷却至超低温，形成一种无定形的玻璃态而非结晶的冰，从而避免冰晶损伤。自上世纪80年代起，科学家们已在多个生物系统中实现了玻璃化，甚至包括完整的兔肾（体积在几十毫升）。但当体积扩大至升尺度（人类器官尺度）时，固有的热传递问题导致冷却速率不足，无法避免冰晶形成或玻璃态破裂。更严峻的是，复温过程需要比冷却更快的速率，这在升尺度下几乎无法通过传统的表面复温（如温水浴）实现，其缓慢且不均匀的加热会导致灾难性的冰重结晶或热应力开裂。

为了攻克这一难题，由John C. Bischof和Erik B. Finger共同领导的团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。他们系统地验证了在0.5升至3升的低温保护剂（Cryoprotective Agent, CPA）体积中实现物理玻璃化，并首次利用纳米复温（nanowarming）技术，在高达2升的体积中实现了快速、均匀的复温。这不仅是一个技术上的巨大飞跃，更从物理层面证明了人类器官尺度低温保存的可行性。

研究团队运用了几个关键的技术方法来完成这项挑战。首先，他们通过计算流体力学（COMSOL软件）进行了热传递建模，以优化针对不同体积（0.5L, 1L, 3L）的冷却协议，确保中心区域的冷却速率超过CPA的临界冷却速率（Critical Cooling Rate, CCR）。其次，他们使用了三种常见的CPA溶液——M22、VS55和40%乙二醇（EG）加0.6M蔗糖——进行实验，并在聚乙烯冷冻袋（cryobag）中完成玻璃化。成功的玻璃化通过视觉检查、热电偶温度记录和微型计算机断层扫描（μCT）进行验证。对于复温，研究团队与AMF LifeSystems公司合作，设计并建造了一台120千瓦的射频（RF）线圈，其均匀场区域可达2.5升。他们将氧化铁纳米颗粒（Iron-Oxide Nanoparticles, IONPs）悬浮在CPA中，利用交变磁场激发纳米颗粒产生热量，从而实现从内到外的volumetric heating（体积加热）。此外，他们还对屠宰场获取的猪肝脏（体积约0.6-1升）进行了CPA灌注和玻璃化实验，以模拟人类器官的尺度。

建模升尺度玻璃化

通过COMSOL进行的热传递模拟显示，样本的特征长度（L_c = 体积/表面积）是决定冷却速率和热均匀性的关键。随着体积从0.5升增加到3升，中心冷却速率从1.4°C/min下降至0.5°C/min，而玻璃态区域的最大温差（ΔT）则随之增大。模型指导研究者为每个体积设计了特定的冷却协议，包括在达到玻璃转化温度（T_g, ~-122°C）以上进行annealing（退火）以最小化热应力，随后以<1°C/min的速率缓慢冷却至-150°C存储温度，以确保ΔT保持在20°C以下，避免破裂。

测量升尺度玻璃化

实验结果表明，M22在所有体积（0.5L, 1L, 3L）中均成功实现玻璃化，呈现透明玻璃态。40% EG + 0.6M蔗糖在0.5L和1L中成功，但在3L中未尝试。而VS55在所有体积中均失败，出现了明显的冰晶形成，因其CCR（~2.5°C/min）高于实验所能达到的冷却速率。μCT扫描进一步证实了视觉观察，成功玻璃化的样本显示出更高的亨氏单位（HU）值且无冰晶信号。

人类尺度器官的玻璃化——猪肝脏

研究团队成功对猪肝脏（体积相当于10岁儿童的肝脏）进行了CPA灌注和玻璃化。使用40% EG + 0.6M蔗糖作为CPA，并采用针对其几何形状优化的0.5L冷却协议，肝脏整体实现了玻璃化，仅门静脉周围脂肪组织等血管化不良区域有少量冰形成。肝脏的bisected截面照片和μCT图像显示内部组织基本无冰，验证了器官尺度玻璃化的物理可行性。

升尺度RF复温线圈的特性

新开发的120 kW RF线圈在360 kHz频率下可产生高达35 kA/m的磁场，其均匀场区域（轴向20 cm，径向6 cm）内的磁场变异小于5%，远优于此前用于小体积研究的15 kW系统。这使得均匀加热升尺度样本成为可能。

纳米复温的比吸收率（SAR）

研究发现，IONPs的比吸收率（SAR_Fe）随磁场强度和频率的增加而增加，且在低温玻璃态下的SAR比室温下高出约1.5倍。这意味着在复温的最关键阶段，加热效率更高。

升尺度纳米复温

最终，团队在1升和2升的M22中加入IONPs（浓度分别为10.7 mg_Fe/mL和4.6 mg_Fe/mL），成功实现玻璃化并存储过夜。随后在120 kW RF线圈中进行复温，复温速率分别达到172°C/min和88°C/min，整个样本内的温差可忽略不计（<5°C），完全避免了复温过程中的冰晶形成和破裂风险。

本研究通过严谨的计算建模和实验验证，首次在物理层面证实了人类器官尺度（升至3升）的玻璃化保存与纳米复温是可行的。其成功的关键在于：1）针对特定几何形状优化冷却协议以克服热传递限制；2）选择具有低CCR的CPA（如M22）；3）利用IONPs介导的纳米复温技术实现快速、均匀的体积加热，其速率远高于CPA的临界复温速率（CWR）。尽管该研究尚未进行生物功能评估，且长期储存的影响仍需进一步探索，但它无疑为器官低温保存领域树立了一个重要的里程碑。它证明了通往“器官银行”的道路并非物理定律所禁止，而是等待着工程技术与生物医学的进一步融合与优化。未来，随着CPA毒性控制、纳米颗粒生物相容性以及大规模生产等问题的解决，人类器官的长期保存与按需移植或许将从科幻步入现实。