凍干（冷凍干燥）中的預(yù)凍保存和低溫損傷是兩個密切相關(guān)的核心問題，直接影響凍干產(chǎn)品的質(zhì)量和活性保留。以下從機制、問題及解決方案角度進行詳細解釋：

1. 預(yù)凍保存（Pre-freezing）

目的與機制

預(yù)凍是凍干的第一步，通過將樣品快速降溫至共晶點以下（通常-40℃以下），使樣品中的自由水凍結(jié)為冰晶，同時避免在后續(xù)升華階段因液態(tài)水殘留導(dǎo)致結(jié)構(gòu)塌陷。預(yù)凍的核心目標(biāo)是：

- 形成穩(wěn)定冰晶結(jié)構(gòu)：為后續(xù)升華提供均勻的傳質(zhì)通道。

- 保護活性物質(zhì)：通過玻璃化（vitrification）減少冰晶對生物大分子（如蛋白質(zhì)、細胞）的物理損傷。

- 抑制化學(xué)降解：低溫下降低酶活性及氧化反應(yīng)速率。

關(guān)鍵參數(shù)

- 降溫速率：

 - 快速冷卻（如液氮速凍）：形成小冰晶，減少機械損傷，但可能導(dǎo)致細胞內(nèi)水未滲出，引發(fā)“胞內(nèi)冰晶損傷”。

 - 緩慢冷卻：允許水分逐漸遷移至細胞外凍結(jié)，減少胞內(nèi)冰晶，但可能增加溶質(zhì)濃縮損傷。

- 終點溫度：需低于樣品的共晶點（通常-40~-50℃），確保固化。

- 保護劑（凍干賦形劑）：如蔗糖、海藻糖、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等，可提高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg'），穩(wěn)定生物分子結(jié)構(gòu)。

2. 低溫損傷（Cryoinjury）

低溫損傷是預(yù)凍過程中因冰晶形成、溶質(zhì)濃縮或相變導(dǎo)致的樣品活性損失，主要機制包括：

（1）冰晶機械損傷

- 細胞內(nèi)冰晶：快速冷卻時，胞內(nèi)水未及時滲出，形成尖銳冰晶刺破細胞膜。

- 細胞外冰晶：緩慢冷卻時，胞外冰晶擠壓細胞，導(dǎo)致膜破裂。

（2）溶質(zhì)效應(yīng)（Solution Effect）

- 水分凍結(jié)后，未凍結(jié)的液相中溶質(zhì)（鹽、緩沖液等）濃度急劇升高，導(dǎo)致：

 - pH偏移：破壞蛋白質(zhì)等生物分子的穩(wěn)定性。

 - 滲透壓失衡：細胞脫水收縮（胞內(nèi)溶質(zhì)外流）或膨脹破裂（復(fù)水時）。

（3）冷休克（Cold Shock）

- 脂質(zhì)膜在低溫下發(fā)生相變（液態(tài)→凝膠態(tài)），膜流動性下降，通透性改變。

（4）玻璃態(tài)破裂

- 若預(yù)凍未達到玻璃化（部分區(qū)域存在液態(tài)水），在升溫或干燥過程中可能發(fā)生反玻璃化（devitrification），導(dǎo)致冰晶重結(jié)晶。

3. 解決方案與優(yōu)化策略

（1）預(yù)凍工藝優(yōu)化

- 控制降溫速率：

 - 對細胞（如紅細胞、干細胞）：慢速冷卻（0.1~1℃/min）結(jié)合保護劑，減少胞內(nèi)冰晶。

 - 對蛋白質(zhì)、疫苗：快速冷卻（如液氮噴淋）結(jié)合高濃度保護劑，實現(xiàn)玻璃化。

- 退火（Annealing）：在預(yù)凍后短暫升溫至略低于共晶點，使小冰晶重排為大冰晶，減少升華阻力。

- 保護劑篩選：

 - 糖類（海藻糖、蔗糖）：替代水分子與生物分子形成氫鍵，維持結(jié)構(gòu)。

 - 聚合物（PVP、BSA）：抑制冰晶生長，提高Tg'。

（2）低溫損傷緩解

- 滲透保護：添加滲透性保護劑（如甘油、DMSO），平衡胞內(nèi)外滲透壓。

- 冰晶成核控制：添加冰核蛋白（如AFP）或納米顆粒，誘導(dǎo)均質(zhì)成核，減小冰晶尺寸。

- 避免溶質(zhì)濃縮：優(yōu)化緩沖液濃度（如使用低鹽配方），或替換易結(jié)晶的緩沖鹽（如磷酸鹽→ Tris）。

4. 應(yīng)用實例

- 生物醫(yī)藥：疫苗凍干中，預(yù)凍需快速形成玻璃態(tài)以保護病毒衣殼蛋白；使用海藻糖作為保護劑可顯著提高穩(wěn)定性。

- 食品工業(yè)：果蔬凍干時，預(yù)凍速率過慢會導(dǎo)致細胞壁塌陷，影響復(fù)水性；退火處理可改善冰晶結(jié)構(gòu)。

總結(jié)

預(yù)凍保存與低溫損傷的平衡是凍干工藝設(shè)計的核心挑戰(zhàn)。通過調(diào)控降溫速率、保護劑配方及退火工藝，可最大限度減少低溫損傷，確保凍干產(chǎn)品的高活性回收率。實際應(yīng)用中需根據(jù)樣品特性（細胞、蛋白質(zhì)、食品等）進行個性化優(yōu)化。