3种新型抗冻材料应用于配子及胚胎冷冻保存的研究进展

2.1.2 抗冻蛋白在配子及胚胎中的应用    目前，已经有 大量研究评估了抗冻蛋白在配子及胚胎冷冻保存中的保护作用。抗冻蛋白对不同物种精子的抗冻保护作用已经得到验证。猕猴精子经抗冻蛋白处理后，可以显著提高玻璃化冷冻后的精子活力及其线粒体膜电位水平。公猪精液冷冻保存的研究表明，抗冻蛋白能提高体外冷冻精子穿透性、DNA质量和精子活力等，并且III型抗冻蛋白相较于I型抗冻蛋白能更有效地保持冷冻精子特性。抗冻蛋白在卵母细胞冷冻保存过程中同样有显著的抗冻效果。如III型抗冻蛋白显著提高了体内成熟小鼠冻后卵母细胞的存活率及后期胚胎发育潜能，表明III型抗冻蛋白具有较好的低温保护作用。牛卵母细胞玻璃化过程中补充III型抗冻蛋白的试验结果表明，III型抗冻蛋白可以显著降低纺锤体和染色体的异常率。抗冻蛋白在许多动物胚胎上的应用也被广泛研究，如小鼠、绵羊、鱼类等，结果证明抗冻蛋白有助于提高低温保存胚胎的存活率。此外，抗冻蛋白的使用剂量对冷冻保存效果具有重要影响。在玻璃化冷冻过程中添加 500 ng/mL的III型抗冻蛋白可提高兔子胚胎存活率，而添加1 000 ng/mL则会降低胚胎存活率。尽管抗冻蛋白在冷冻保存技术中具有巨大的应用潜力，但由于天然抗冻蛋白的提纯和合成过程复杂，天然抗冻蛋白无法大规模使用。

2.2 纳米材料

纳米材料主要指小于100 nm的颗粒，称为纳米颗粒或纳米材料，因其具有增强细胞吸收、表面电荷、结合性能和抗氧化性能等功能被广泛应用于药物递送和癌症治疗，纳米材料的发展为超低温冷冻技术的 优化提供了新思路。

2.2.1 氧化石墨烯纳米材料    氧化石墨烯作为一种具有冰调节特性的纳米材料，因其独特的结构在控制冰晶形状和生长方面具有显著效果。氧化石墨烯由重复的蜂窝状六边形碳环组成，这种结构与抗冻蛋白的结构相似，使得氧化石墨烯上的羟基排列与冰晶晶格相匹配，从而可以吸附在冰晶表面，实现类似于抗冻蛋白的控冰功能。研究表明，在氧化石墨烯分散体中会形成六边形冰，而在纯液态水中则观察到圆盘状冰晶，在氧化石墨烯分散体中冰晶的生长速度显著降低，这进一步证明氧化石墨 烯具有良好的控冰功能。此外，氧化石墨烯的氧化 程度、大小和分子结构对于调节冰的形成具有至关重要的作用。氧化石墨烯的氧化程度降低，表面的冰成核自由能垒就升高，使冰成核的效率降低。冰成核的效率还会随着氧化石墨烯尺寸的增加而降低，但当氧化石墨烯尺寸增大到临界值时，冰成核效率不再受到氧化石墨烯尺寸的影响。同时，对于相同尺寸的氧化石墨烯，羧基的增加也可显著增加抑冰效果。这些特性使得氧化石墨烯在冰晶控制领域具有潜在的应用前景。研究发现，将氧化石墨烯作为冷冻保护剂应用于马精子的冷冻保存，马精子的活力从24.3%提高到71.3%，并且膜的完整性得以保持。氧化石墨烯在卵母细胞及胚胎上的应用尚未得知。然而，由于氧化石墨烯的溶解性差且易聚集，限制了其在复合材料中的应用。

2.2.2 金属纳米材料    金属纳米材料作为冷冻保护剂可提高配子的冷冻保存效率。锌是一种机体必需的微量营养素，它在雄性生殖系统中具有多种功能，如睾丸发育和类固醇生成。将氧化锌纳米材料应用于人类精液的冷冻保存，发现氧化锌纳米材料处理组精子的染色质损伤显著降低。在鸡的精液冷冻保存过程中添加氧化锌纳米材料可以降低精子的脂质过氧化，提高线粒体活性和膜完整性。在不同浓度硒纳米材料对公牛精子冷冻保存效果的研究中，通过检测精子存活率、形态异常率、质膜完整性等指标，发现1 μg/mL硒纳米材料可以改善公牛解冻后精子质量。虽然金属纳米材料在精子的冷冻保存中得到了广泛应用，但将金属纳米材 料应用于卵母细胞和胚胎未见报道。金属纳米材料已被 证明可以显著提高冷冻精子的质量，但由于其存在一定的毒性，因此在金属纳米材料种类的选择和使用浓度方面还需慎重考虑。

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