摘要
低温冻存是将目标物，比如生物材料（如细胞、组织、器官）在极低的温度环境下速冻保存，使代谢停止，延长生命周期的技术。因此，其在医学、生物学等领域具有巨大的应用前景。传统冻存方法是通过在细胞或组织内加入盐、有机溶剂等物质实现生物材料低温保存。然而，添加剂本身携带的毒性效应会对细胞、组织等造成不可逆转的损害。因此，如何构筑绿色、温和且高效的抗冻材料是目前低温冻存技术面临的一项重要挑战。水熊虫在极端环境中（极寒/极热）能够通过自身体积收缩降低体内自由水含量，同时提升体内结合水的比例有效抑制体内水结冰。该现象为低温下绿色、温和且高效冻存生物体的，具有较好生物相容性的抗冻材料的研发提供了很好的研究思路。 水凝胶是由大量水和亲水的三维（3D）聚合物网络构成的软材料，具备极好的生物相容性，是构筑低温冻存生物组织的理想候选材料。水凝胶内部的水分子主要以两种形式存在：一种是游离在凝胶网络中的自由水分子，简称自由水；另一种是与聚合物链结合的水分子，简称结合水。通过构建纯水凝胶网络模型，调控聚合物链段的水合结构类型和数量，探究水凝胶体系中自由水和结合水比例对水凝胶相变行为的调控规律和作用机制，有望实现新型绿色温和且高效的抗冻水凝胶材料的制备。具体研究内容如下： 1、基于致密水凝胶网络模型构筑新型抗冻水凝胶材料及其抗冻机理研究。以丙烯酸单体为例，N,N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，2-羟基-2-甲基-1-[4-（2-羟基乙氧基）苯基]-1-丙酮作为光引发剂，制备聚丙烯酸水凝胶。通过调控单体、交联剂以及引发剂的浓度，调控水凝胶体系中的结合水和自由水比例，利用差示扫描量热仪测试研究材料的相变过程。测试结果证明聚丙烯酸水凝胶的冰点随着丙烯酸单体浓度的增加逐渐降低，在单体浓度达7.5 mol/L时出现玻璃化转变，此时水凝胶的抗冻温度为-70℃，随着单体浓度的持续增加，凝胶的玻璃化转变温度（Tg）逐渐升高。此外，本文还研究了PAAm、PAMPS和PDMAA等传统水凝胶体系，都发现了相似的相变转化过程。一系列实验表明，随着水凝胶单体浓度的升高，聚合物链段官能团数量增多，聚合物网络水合能力增强，自由水逐渐减少，结合水逐渐增多，导致水凝胶的冰点逐渐降低。当单体浓度达到一定数值时，水凝胶内部的水将全部以结合水形式存在，此时水凝胶出现玻璃化转变现象。研究表明，相较于其他类型的水凝胶， PAMPS水凝胶可以在2 mol/L下表现出优异的抗冻能力，冰点为-75℃。综上所得结果，在不借助溶质参与（盐、极性溶剂等）条件下，本项工作成功制备了具有优异抗冻性能且生物相容性良好的抗冻水凝胶材料。 2、基于PAMPS-PAAm的低温非溶胀双网络抗冻水凝胶的制备。基于在实际应用于低温环境时，环境中水分子会自发渗入水凝胶中，导致水凝胶中的水含量不可控的增加，聚合物链的浓度减小，使得材料在低温环境中的实际应用效果受损，寿命大大缩短。为了解决这个难题，本章将PAMPS作为刚性的第一网络，将PAAm作为柔性的第二网络。通过调控第二网络的单体浓度和交联剂含量，控制水凝胶的溶胀行为，并结合（ 1 ）中PAAm体系的相变转化特点，获得了具备优异的抗冻性能（冰点-35℃）和优异的抗溶胀能力的双网络抗冻水凝胶，为不借助溶质参与（盐、极性溶剂等）这类抗冻水凝胶材料可以在低温环境下长时间持续使用提供了一种新思路。 综上所述，通过改变聚合物链段水合作用强弱，能够有效调控水凝胶体系中的自由水和结合水的比例，实现水凝胶冰点的不断降低并最终发生玻璃化转变现象，以及通过非溶胀双网络抗冻水凝胶体系的构筑，能够实现低温下长期稳定使用的非溶胀抗冻水凝胶策略为实现不借助溶质参与（盐、极性溶剂等），即可实现高效抗冻材料的构筑提供了研究基础和创新思路。
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