降溫速率對(duì)聚乙烯吡咯烷酮水溶液結(jié)晶的影響

李維杰，王利紅，劉寶林，周新麗

(1-上海理工大學(xué)生物熱科學(xué)研究所，上海 200093；2-上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院，上海 200233）

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降溫速率對(duì)聚乙烯吡咯烷酮水溶液結(jié)晶的影響

李維杰1，王利紅*2，劉寶林1，周新麗1

(1-上海理工大學(xué)生物熱科學(xué)研究所，上海 200093；2-上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院，上海 200233）

[摘 要]聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是一種重要的非滲透性低溫保護(hù)劑。本文使用低溫顯微鏡，研究了不同濃度（10％、20％和30％）PVP水溶液在不同降溫速率（1oC/min、10oC/min、50oC/min和100oC/min）的結(jié)晶形態(tài)以及初始結(jié)晶溫度。研究結(jié)果表明，在較低濃度條件下結(jié)晶顆粒較大，容易出現(xiàn)冰溝壑；在較高濃度條件下，冰晶顆粒相對(duì)較小，未見(jiàn)明顯的冰溝壑產(chǎn)生；此外，初始結(jié)晶溫度隨著降溫速率的增加而降低。在適當(dāng)?shù)母邼舛葪l件下提升降溫速率可以有效減少結(jié)晶量，有利于低溫保存。

[關(guān)鍵詞]聚乙烯吡咯烷酮；結(jié)晶；降溫速率；低溫保存

*王利紅（1976-），女，副主任醫(yī)師，博士。研究方向：女性生育力保存。聯(lián)系地址：上海市第六人民醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心，郵編：200233。聯(lián)系電話：021-24056369。E-mail：lihongwang1976@126.com。

0 引言

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是一種多聚體化合物，作為一種非滲透性低溫保護(hù)劑，被廣泛用于低溫生物保存中[1]，在細(xì)胞低溫保存中常常與糖類復(fù)配使用，主要通過(guò)與糖類間的氫鍵作用來(lái)改變保護(hù)劑玻璃化溫度，這樣可以降低單一低溫保護(hù)劑的濃度，從而達(dá)到玻璃化效果且降低溶質(zhì)毒性對(duì)細(xì)胞的損傷[2]。YAO等[3]使用15％EG和2％PVP實(shí)現(xiàn)了卵母細(xì)胞在較低的降溫速度下玻璃化，取得較好的保存效果。SCHMID等[4]使用液滴法冷凍紅細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加適量的PVP有助于細(xì)胞冷凍后的恢復(fù)。權(quán)國(guó)波等[5]對(duì)PVP應(yīng)用于紅細(xì)胞低溫保藏的可行性進(jìn)行了探討，認(rèn)為控制保護(hù)劑的溶劑損傷十分必要。盧榮華等[6]利用PVP保存豬前體細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)PVP濃度對(duì)低溫保存有顯著影響。LV等[7]使用低溫顯微鏡觀察納米粒子對(duì)PEG-600溶液結(jié)晶形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)加入粒徑為60 nm、濃度為0.4％的羥基磷灰石納米顆?？梢栽黾臃床ＡЩ瘻囟?0oC，并且結(jié)晶形態(tài)更加明顯。GUHA等[8]利用LinkamTM低溫顯微系統(tǒng)測(cè)試無(wú)血清等存在的情況下以10％ PVP （w/v）為低溫保護(hù)劑，成年人干細(xì)胞內(nèi)冰晶形成情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PVP能夠?qū)?xì)胞脫水，可以有效抑制結(jié)晶初期的冰晶形成，從而減少胞內(nèi)冰的數(shù)量。低溫顯微鏡作為一種重要的研究工具，低溫顯系統(tǒng)作為一種形象直觀的手段，可以有效地觀測(cè)到冷凍保護(hù)劑在降溫過(guò)程中的結(jié)晶、玻璃化、反玻璃化、共融等現(xiàn)象，同時(shí)可以記錄該現(xiàn)象發(fā)生的溫度、升降溫速率等參數(shù)[9-11]，對(duì)低溫保護(hù)劑的篩選有重要的意義。

本文使用低溫顯微鏡系統(tǒng)，分別比較了濃度分別為10％、20％和30％的PVP低溫保護(hù)劑，在1oC/min、10oC/min、50oC/min和100oC/min的降溫速度中的冰晶形態(tài)，比較不同降溫溫速率對(duì)溶液結(jié)晶形態(tài)和結(jié)晶溫度的影響。

1 材料與方法

1.1 低溫顯微鏡系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)使用的低溫顯微鏡系統(tǒng)由BCS196生物冷凍臺(tái)、T95程序溫度控制器、Linksys 32溫度控制軟件、自動(dòng)冷卻系統(tǒng)（Linkham Scientific Instruments Limited,UK），以及BX51TRF型顯微鏡（Olympus,Japan）組成，如圖1所示。該系統(tǒng)通過(guò)控制樣品臺(tái)的加熱和液氮流量調(diào)節(jié)升降溫速度，可以在-196oC～125oC范圍內(nèi)，以(0.01～150)oC/min的速率實(shí)現(xiàn)樣品的冷凍及復(fù)溫，此外還提供最高5,000oC/min的極速淬冷降溫，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、控制精度較高[12]。低溫載物臺(tái)置于顯微鏡物鏡下，通過(guò)顯微鏡系統(tǒng)可以直接觀察實(shí)驗(yàn)樣品在冷凍和復(fù)溫過(guò)程中的冰晶形態(tài)變化以及溶液的相變過(guò)程，也可以通過(guò)系統(tǒng)自帶的攝像頭采集圖像并由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示。結(jié)合圖像采集及處理技術(shù)，可以對(duì)冷凍過(guò)程進(jìn)行定性及定量研究。

圖1　低溫顯微鏡系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文選取聚乙烯吡咯烷酮（PVP-40，Amresco，美國(guó)）作為試劑。使用微量移液器吸取1 μl冷凍保護(hù)劑液滴到石英坩堝上，將蓋玻片壓在液滴上，使得液滴被壓成一個(gè)平面，其厚度可以忽略。石英坩堝加載到低溫臺(tái)，分別采用1oC/min、10oC/min、50oC/min和100oC/min的降溫速率冷卻，觀察冰晶的形態(tài)和出現(xiàn)時(shí)機(jī)。

2 結(jié)果與討論

2.1 降溫速率對(duì)不同低溫保護(hù)劑結(jié)晶形態(tài)的影響

如圖3所示，低濃度情況下10％PVP不論降溫速度如何，均出現(xiàn)了較大的溝裂，1oC/min、10oC/min和50oC/min時(shí)形成的溝裂較大且紋路清晰，冰晶紋路由不同方向產(chǎn)生，說(shuō)明冰核在保護(hù)劑的不同位置同時(shí)發(fā)生，冰晶逐漸長(zhǎng)大，其前鋒逐漸相遇，在相遇處相互擠壓，產(chǎn)生了冰溝壑，降溫速度相對(duì)較慢時(shí)，異向成核現(xiàn)象比較嚴(yán)重，單個(gè)冰晶尺寸較大，較容易發(fā)生膨脹造成冰晶碎裂[7]。

當(dāng)降溫速度達(dá)到100oC/min時(shí)，溝裂明顯減小，這說(shuō)明盡管濃度較大，提升降溫速率依然可以阻礙保護(hù)劑形成較大的冰晶，減少大冰晶之間的互相擠壓產(chǎn)生碎裂和溝壑[13]。

提升PVP濃度至20％時(shí)，任何降溫速率下均未出現(xiàn)較大的冰溝裂，當(dāng)以1oC/min的降溫速度降溫時(shí)形成較大的顆粒狀冰晶，其直徑最高可以達(dá)到5 μm，有較大的棱角，可能對(duì)細(xì)胞壁表面構(gòu)成威脅，當(dāng)降溫速率提升到10oC/min時(shí)，反而出現(xiàn)了裂紋，但較10％時(shí)裂紋較小，提升降溫速度為50oC/min出現(xiàn)了彗星狀冰晶，盡管冰晶尺寸較大，但未發(fā)現(xiàn)有較明顯的溝壑和棱角。當(dāng)降溫速率升高到100oC/min時(shí)出現(xiàn)了較為柔和的小溝壑，溝壑較淺，對(duì)細(xì)胞的威脅也較小。當(dāng)PVP濃度提升到30％時(shí)，均未出現(xiàn)較大的溝壑，當(dāng)降溫速度為1oC/min時(shí)冰晶較細(xì)膩，直徑小于1 μm，但仍然出現(xiàn)了裂紋，當(dāng)速度升高至10oC/min和50oC/min時(shí)無(wú)明顯的結(jié)晶出現(xiàn)，但顯微鏡視野中整體顏色較深；主要原因是降溫過(guò)程有細(xì)微的冰晶形成，冰晶的方向性各異，使得透光率下降[14]、視野發(fā)黑；當(dāng)降溫速度提升到100oC/min時(shí)，視野亮度明顯升高，證明冰晶總量下降，保護(hù)劑實(shí)現(xiàn)了部分玻璃化。

因此提高降溫速率和保護(hù)劑濃度有利于減少冰晶的形成，減少冷凍過(guò)程中對(duì)細(xì)胞的冷凍傷害。溶液濃度不能無(wú)限制提高，過(guò)高的濃度可能會(huì)造成對(duì)細(xì)胞的溶液傷害[15]。

提高降溫速率可以有效減少大結(jié)晶數(shù)量，如圖2(e)，視野中大概有5,000個(gè)直徑為1 μm的大冰晶；而對(duì)于高速情況下（圖2(h)所示），視野中并無(wú)直徑大于1 μm的大冰晶。因此，高速降溫有利于低溫保存，從圖像上看出，濃度為30％、降溫速度為100oC/min時(shí)，幾乎看不到直徑超過(guò)1 μm的結(jié)晶，保存效果最好。

圖2　不同濃度PVP在不同降溫速度下結(jié)晶形態(tài)

2.2 降溫速率對(duì)冰晶不同濃度低溫保護(hù)劑結(jié)晶溫度的影響

圖3為降溫速率對(duì)不同濃度低溫保護(hù)劑結(jié)晶溫度的影響。由圖可知，相同濃度的PVP保護(hù)劑的結(jié)晶溫度隨著降溫速率的升高而降低。以10％的PVP為例，當(dāng)以1oC/min的速度降溫時(shí)，結(jié)晶溫度為-13.6oC；當(dāng)降溫速率為10oC/min時(shí)，結(jié)晶溫度為-13.8oC；當(dāng)降溫速率升溫50oC/min時(shí)，結(jié)晶溫度為-15.7oC；而當(dāng)降溫速率達(dá)到100oC/min時(shí)，其結(jié)晶溫度為-16.0oC；可見(jiàn)提高降溫速率能有效降低結(jié)晶溫度。

對(duì)于20％的PVP和30％的PVP，其不同降溫速度下的結(jié)晶溫度均比10％濃度高，且相同降溫速率下溶液濃度越高結(jié)晶溫度越低，可見(jiàn)高濃度的低溫保護(hù)劑，在抑制冰晶方面有一定的效果[16]。降溫速率越快，結(jié)晶速度越低，這可能與設(shè)備的熱慣性相關(guān)；在實(shí)際的冷凍過(guò)程中，通常采用較高的冷凍速度，快速通過(guò)危險(xiǎn)的結(jié)晶區(qū)域，以防止冰晶的生長(zhǎng)造成對(duì)細(xì)胞內(nèi)外的傷害。當(dāng)降溫速度加快時(shí)，不同濃度下結(jié)晶溫度的離散性加強(qiáng)，這說(shuō)明結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)隨機(jī)的過(guò)程，在快速降溫過(guò)程中隨機(jī)性更強(qiáng)。

BORSOS等[17]建立的結(jié)晶模型中顯示晶核的形成和冰晶的成長(zhǎng)具有隨機(jī)性，結(jié)晶的出現(xiàn)除了和保護(hù)劑濃度降溫速率有關(guān)外，還與接觸表面的粗糙度、材質(zhì)相關(guān)、是否有雜質(zhì)有關(guān)。

圖3　降溫速率對(duì)不同濃度低溫保護(hù)劑結(jié)晶溫度的影響

3 結(jié)論

聚乙烯吡咯烷酮作為一種重要的低溫保護(hù)劑，在低溫保護(hù)中確實(shí)能起到減少冰晶的作用，但濃度要求較高，單獨(dú)使用時(shí)濃度大于10％、降溫速率大于50oC/min，才能有效抑制胞外冰的形成，但是濃度過(guò)高時(shí)會(huì)由于自身毒性原因?qū)?xì)胞有額外損傷，因此濃度的選擇一定要慎重。實(shí)際使用中為了減少濃度對(duì)細(xì)胞的損傷，可以使用復(fù)配的方式降低單一成分的濃度。結(jié)晶初始溫度隨著降溫速度增加而降低，低濃度條件下結(jié)晶顆粒較大，容易出現(xiàn)冰溝壑，高濃度條件下冰晶顆粒相對(duì)較小。在高濃度條件下提升降溫是一種有效降低溶液冰晶損傷的方式。

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Effect of Cooling Rate on Crystallization of Polyvinylpyrrolidone Aqueous Solution

LI Wei-jie1,WANG Li-hong*2,LIU Bao-lin1,ZHOU Xin-li1
(1-Institute of Biothermal Technology,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China; 2-Shanghai JiaoTong University Affiliated Sixth People`s Hospital,Shanghai 200233,China)

[Abstract]Polyvinylpyrrolidone (PVP) is an important impermeable cryoprotectant.Cryomicroscope was used to study the initial crystallization temperatures and the crystalline forms of Polyvinylpyrrolidone aqueous solution with different concentrations (10％,20％ and 30％) at different cooling rates (1oC/min,10oC/min,50oC/min and 100oC/min).The results show that,the sizes of crystals are relatively bigger and the ice gap tends to take shape when PVP is at lower concentration; the sizes of crystals are relatively smaller when PVP is at higher concentration ,and no obvious ice gap occurs; moreover,the initial crystallization temperature decreases with the increase of cooling rate.Crystals can be effectively reduced by accelerating the cooling rate when PVP is at higher concentration,which is beneficial to cryopreservation.

[Keywords]Polyvinylpyrrolidone; Crystallization; Cooling rate; Cryopreservation

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助（No.81300554）。

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.01.107