基於微流控和微液滴技術的卵細胞玻璃化凍存研究

《基於微流控和微液滴技術的卵細胞玻璃化凍存研究》是依託西安交通大學，由張曉慧擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於微流控和微液滴技術的卵細胞玻璃化凍存研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張曉慧
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

冷凍保存卵細胞為女性癌症患者生殖能力的保存提供了一種全新的選擇。但是人卵細胞凍存技術尚不成熟，無法滿足輔助生殖臨床的要求，仍定位為實驗研究性質。本項目擬構建一個基於微液滴的高通量、自動發生系統，用以實現卵細胞“納升體積”微液滴玻璃化凍存，通過提高冷凍復甦過程中的降溫和升溫速率，降低所需CPA濃度以減少對細胞產生的化學毒性和滲透性休克效應。同時，本項目還將構建一個微流控晶片系統，用於實現CPA 連續濃度梯度導入和洗脫，以降低由於細胞膜內外濃度突變對細胞造成的損傷。最終將微流控晶片和“納升”液滴發生系統整合，用於卵細胞的玻璃化凍存研究。對比新鮮卵細胞，對冷凍復甦後卵細胞的活性、微觀結構和生殖功能等進行考察，並與傳統玻璃化凍存方法相比較。期望通過技術創新來降低凍存過程對卵細胞造成的損傷，以提高卵細胞凍存效率。本研究的成功開展將在生殖醫學、生物醫學、冷凍生物學、再生醫學等領域顯示廣闊的套用前景。

結題摘要

卵細胞凍存為女性生殖能力的保存提供了重要手段。但由於目前的凍存技術尚不成熟，在臨床仍被定位為實驗研究。基於液滴的玻璃化凍存技術由於避免了載體造成的熱阻，可顯著提高卵細胞冷凍和復甦過程中的熱傳遞速率，有助於卵細胞凍存在生殖醫學領域的發展。但是，在基於液滴的玻璃化凍存過程中，由於Leidenfrost效應的存在使得液滴無法快速通過結晶溫度區，影響了液滴的降溫速率且產生大量冰晶，降低了玻璃化凍存的效率。此外，Leidenfrost效應引起的液滴無規則運動還會使得液滴收集困難，大量細胞損失在冷凍過程中。基於此，我們對微液滴冷凍過程中的Leidenfrost效應進行研究，並提出藉助磁性納米顆粒對該效應的克服方法，並對其進行了驗證。最後通過卵細胞的冷凍保存對該方法進行驗證。圍繞該項目的研究目標完成了以下四個方面的工作： （1）搭建了基於微液滴的自動化、高通量的卵細胞玻璃化凍存發生系統，研究微液滴製備條件對液滴大小和分布的影響並獲得適於卵細胞凍存微液滴尺寸； （2）研發非接觸式的液滴玻璃化凍存裝置，避免Leidenfrost效應對液滴玻璃化凍存的影響。利用該系統凍存的NIH/3T3纖維細胞和人類脂肪源性幹細胞（hASC）均保持了較高的活力，凍存後幹細胞保持了較高的分化潛能； （3）利用Fe3O4磁性納米顆粒操控液滴進入液氮的速度，克服微液滴玻璃化凍存過程中的Leidenfrost效應，從而解決了因Leidenfrost效應導致的液滴結晶和難收集等問題，並從物理模型和實驗兩方面驗證了磁性納米顆粒對Leidenfrost效應克服的原理和效果。 （4）最後將基於磁性納米顆粒的液滴玻璃化凍存方法用於卵細胞的冷凍保存，與未使用磁性納米顆粒的液滴玻璃化凍存方法相比，獲得的解凍後卵細胞存活率提高了2倍以上。本項目首次提出利用磁性納米顆粒克服Leidenfrost效應的方法，為冷凍生物學領域使用微液滴進行細胞冷凍保存提供了有效的手段。這一研究成果對於提高卵細胞凍存效率具有重大套用價值，此方法對凍存胰島等大體積細胞及微組織也顯示出極大的潛力。