低溫冷凍保存是上個世紀70年代迅速發(fā)展起來的一種在低溫或超低溫條件下保存細胞、組織和器官等生物材料的技術(shù)，能夠有效保證生物材料的遺傳和形態(tài)穩(wěn)定性，在生物學、醫(yī)學、農(nóng)學等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。然而在低溫保存過程中冰晶的不可控生長會大大損傷細胞等保存對象。目前采用的冷凍保存液，比如甘油、二甲基亞砜等，有抑制冰晶生長效率低、高毒性和使細胞脫水死亡的問題。
最近，中國科學院化學研究所綠色印刷重點實驗室研究員王健君與中國科學院上海應用物理研究所副研究員石國升、研究員方海平合作，基于抗凍蛋白能使生活于寒冷地區(qū)的生物體避免冰凍造成危害的特性，深入研究了抗凍蛋白能夠有效地降低結(jié)冰溫度、抑制冰晶生長和重結(jié)晶的作用機制。發(fā)現(xiàn)這類蛋白的冰吸附面（ice binding face）上親疏水相間官能團（甲基和羥基）的有序排列，使其表面形成類冰水，從而能夠選擇性吸附到冰晶表面，抑制冰晶的生長（PNAS, 2016, doi: 10.1073/pnas.1614379114）。
受到抗凍蛋白的啟發(fā)，他們根據(jù)氧化石墨烯（GO）特有的碳骨架結(jié)構(gòu)，開展了GO調(diào)控冰晶生長的研究。研究發(fā)現(xiàn)GO不但能有效地抑制冰晶生長和重結(jié)晶，而且能修飾冰晶形貌。分子動力學的模擬結(jié)果顯示GO表面具有穩(wěn)定的類冰水，使得GO更傾向于與固態(tài)的冰形成穩(wěn)定氫鍵，從而在大量液態(tài)水存在的條件下能夠選擇性地吸附到冰晶的表面。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（圖1）。
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(yè)化的抗凍劑相比，GO展現(xiàn)出了非常優(yōu)異的冷凍保存效果，加入0.01 wt%的GO即可將馬精子活力從24.3%提高到71.3%（圖2）。這一研究發(fā)現(xiàn)不但拓展了二維材料的應用領(lǐng)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(fā)表在《德國應用化學》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 997 –1001）。
圖1 氧化石墨烯上含氧基團的特殊排列結(jié)構(gòu)與冰晶形成的氫鍵并能有效抑制冰晶生長和修飾冰晶形貌
圖2 氧化石墨烯抑制冰晶重結(jié)晶效果顯著并首次用做低溫保存劑
