《Biomaterials Science》：Titanium nitride nanoparticles for laser nanowarming in cryopreservationOpen Access
编辑推荐：
通过玻璃化（vitrification）实现的低温保存可在冷却过程中抑制冰晶形成，但其成功依赖于快速且均匀的回温以避免反玻璃化（devitrification）及样品损伤。基于等离子体纳米颗粒的激光纳米回温（laser nanowarming）已成为一种极具前
通过玻璃化（vitrification）实现的低温保存可在冷却过程中抑制冰晶形成，但其成功依赖于快速且均匀的回温以避免反玻璃化（devitrification）及样品损伤。基于等离子体纳米颗粒的激光纳米回温（laser nanowarming）已成为一种极具前景的解决方案。然而，广泛用作激光纳米回温等离子体纳米材料的金纳米棒（GNRs）受限于高成本、对表面活性剂的依赖以及在冷冻保护剂（CPA）溶液中稳定性下降。研究人员评估了钛氮化物纳米颗粒（TiN NPs）作为纳米回温1 μL含卤虫（Artemia salina）囊肿的玻璃化CPA液滴的替代材料，并探究表面修饰的作用以实现与配体稳定GNRs的直接比较。裸TiN、TiN-甲氧基聚乙二醇硅烷（mPEG-Silane）及TiN-(3-氨丙基)三乙氧基硅烷（APTES）NPs在宽泛条件范围内实现高效回温，其中裸TiN在400 μg mL?1浓度、2 ms脉冲时长（～3 J）下达到近对照孵化率（～85%）。表面修饰改善了分散性并调控加热行为，TiN-mPEG-Silane将最优浓度降至300 μg mL?1，TiN-APTES在不同条件下表现更一致，表明修饰TiN可增强胶体稳定性并优化吸收-散射平衡以实现均匀加热。此外，所有TiN配方在CPA中14天保持稳定，对活体卤虫48小时内毒性极低。相较之下，在所研CPA配方下，GNR配方需远高于此的质量浓度方能实现成功激光纳米回温与囊肿孵化。总体而言，TiN纳米材料提供了一种低成本、热稳健且可调的平台；在实验条件下，TiN配方以显著低于所评估GNR配方的浓度实现了相当或更优的纳米回温结果，为推进玻璃化低温保存提供了实用路径。
研究背景方面，低温保存在生物样本库、辅助生殖与再生医学中至关重要。慢速冷冻常导致胞内冰晶与渗透应激，而玻璃化（vitrification）通过CPA与快速冷却将水转为非晶玻璃，抑制冰核形成，但其成效严重依赖回温：若回温速率未达临界回温速率（CWR）或空间不均，则发生反玻璃化（devitrification）致冰晶生长与样品损毁。激光纳米回温利用等离子体纳米材料光热转换，早期用印度墨汁，近期金纳米棒（GNRs）因强近红外（NIR）吸收占主导，但GNRs存在表面活性剂依赖、低熔点（～1000 °C）致激光下形变、合成昂贵难放大、窄共振波长灵活度低等局限。钛氮化物纳米颗粒（TiN NPs）具宽VIS-NIR等离子体共振、高熔点（～3000 °C）、化学稳健、低成本可放大及非线性宽带吸收，前期研究显示其溶液光热性能优于GNRs且细胞毒性低，但未评估玻璃化后生物恢复。本研究由此在《Biomaterials Science》发表，旨在以卤虫（Artemia salina）囊肿为模型，系统比较TiN NPs（裸、mPEG-Silane、APTES修饰）与商用CTAB稳定GNRs在1070 nm激光下对1 μL玻璃化CPA液滴的纳米回温效力及表面化学影响。
关键技术方法上，研究人员采用非热等离子体反应器合成平均直径～21 nm球形裸TiN NPs；以硅烷偶联法分别接枝mPEG-Silane（空间位阻稳定）与APTES（胺基静电稳定）形成表面修饰NPs；GNRs为市售CTAB稳定纵向等离子峰1080 nm样品。生物模型为脱壳脱水卤虫囊肿，经过滤海水（FSW）复水1.5 h。CPA采用VSART配方（15%甲醇、7.5%丙二醇、20% PEG 20 kDa、57.5% FSW，回温液换去离子水）。液滴1 μL含约20囊肿置于cryotop，液氮浸没30 s玻璃化，定制VARS系统以1070 nm光纤激光（恒定均功1569.8 W，脉冲2–10 ms对应3.14–15.69 J）单脉冲回温。以光学密度（OD）在1070 nm归一化吸光，TEM/DLS表征形貌，14天消光系数追踪稳定性，囊孵化率计72 h存活为活力指标，两组ANOVA统计。
研究结果部分，3.1纳米颗粒表征中，TEM示三种TiN平均直径21.5±4.2、21.9±3.5、22.4±5.7 nm，涂层表观厚度～1.0 nm；OD谱示TiN在水和CPA中1070 nm处OD仅微降（0.55→0.45等），GNRs在CPA中OD自0.64跌至0.15（降76.6%）且纵向峰宽化，证实CPA环境敏感；14天稳定性示TiN在CPA中消光系数维持0.8–1.0，水中APTES首日近零，CPA改善明显。3.2毒性评估中，卤虫囊肿孵化在200–500 μg mL?1 TiN各配方24–72 h与对照无显著差异，仅裸TiN 500 μg mL?1略降；丰年虾无节幼虫存活24–48 h各浓度均～100%，72 h裸TiN与mPEG在500 μg mL?1近零，APTES因沉淀快暴露低而稍高，但纳米回温后转无颗粒FSW故短期暴露可接受。3.3激光纳米回温参数中，无生物液滴测试示TiN浓度200–500 μg mL?1时裸TiN 400 μg mL?1仅需3 J/2 ms成功回温，mPEG需稍高（500 μg mL?1需5 J），APTES高浓度趋近裸TiN；GNRs即便2243 μg mL?1仍需长脉宽且易过热，表明TiN吸光-散射平衡优。3.4活力结果中，对照正控孵化～85%（48 h），玻璃化+对流回温仅～19%，水冻负控0%；裸TiN 400 μg mL?1配3 J/2 ms脉冲孵化～85%近对照，mPEG最优300 μg mL?1，APTES跨条件稳；GNR最高浓度孵化仍显著低于TiN组。
讨论与结论翻译部分，研究人员指出玻璃化低温保存的瓶颈在均匀快速回温，TiN NPs以宽NIR吸收、高熔点、CPA中稳定及低浓度高效光热转换，克服GNRs成本、表面活性剂、热变形与CPA失活等短板；表面硅烷化进一步调分散与吸收-散射比，mPEG偏空间稳定降最优浓度，APTES电荷稳定跨条件一致。在卤虫囊肿模型中，TiN配方于1070 nm以3–6 J脉冲达成近对照孵化率，而GNR需超2.2 mg mL?1仍逊色。结论为：TiN纳米材料构成低成本、热稳健、可调的激光纳米回温平台，在所选CPA与1 μL体积下以显著低于GNR的质量浓度实现相当或更优生物恢复，为玻璃化低温保存向高通量及复杂生物样本拓展提供实用路径。
