냉동보존 시 재결정 문제 해결을 위한 음파

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7603(2023) 이 기사 인용

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장기 바이오뱅킹은 냉동 보존의 계류 중인 주제입니다. 문제는 다면적이지만, 최근 수십 년 동안의 발전은 주로 냉동 보존된 샘플을 신속하고 균일하게 재가온하는 것과 관련이 있습니다. 이는 동결 보호제 독성 연구에 더해 과거에 크게 연구된 물리적 과제이며, 이 연구에서도 상당한 발전이 나타났습니다. 이 논문은 선충류 Caenorhabditis elegans를 기반으로 고강도 집속 초음파와 같은 기능을 수행할 수 있는 기술의 원리 증명을 제시합니다. 따라서 재결정 문제를 피하면서 − \(80\;^\circ{\rm C}\)에 보존된 성체 상태의 이 벌레를 고강도 집속 초음파로 가열한 후 체계적으로 다시 살아나게 되었습니다. (하이푸)파. 이 기술의 가장 큰 장점은 확장성이 있다는 것입니다. 또한 재가온은 MRI 열화상 촬영을 통해 실시간으로 모니터링할 수 있으며 음향 간섭계로 제어할 수 있습니다. 우리는 우리의 발견이 밀리미터 규모 시스템의 냉동 보존에 사용할 수 있는 재가온에 대한 가능한 접근 방식의 출발점이 될 것으로 기대합니다. 단독으로 또는 나노 온난화 또는 유전 가열과 같은 다른 유망한 가열 방법과 결합하여 현재 기술은 새로운 방법을 제공합니다 냉동 보존 시 재결정 문제의 물리적 측면을 해결하고 더 큰 샘플을 장기간 보관할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

저온 은행에 장기를 보존하는 것은 수많은 기회를 제공합니다1,2. 현재 이러한 가능성은 아직 파악하기 어려운 상태로 남아 있으며 토끼 신장, 양 난소 또는 간 등에서 일부 부분적이고 고립된 성공만이 이루어졌습니다3,4,5. 다양한 냉동 보존 전략이 있지만 장기를 극저온으로 보관하는 경우 결국 얼음 결정이 나타나서 발생하는 손상이 이러한 상황의 원인이 됩니다. 다음 단락에서 우리는 냉동보존의 일반적인 맥락 내에서 문제를 설명하려고 노력할 것입니다. 다음으로, 빠르고 균일한 재가온이 이를 방지하는 이유를 이해하겠습니다. 마지막으로 고강도 집속 초음파가 어떻게 솔루션을 제공할 수 있는지 살펴보겠습니다.

이미 1940년에 Luyet6은 얼음이 충분한 속도로 나타날 수 있는 구역을 건너는 것만으로도 생물학적 시스템의 유리화가 가능하다는 것을 잘 이해했습니다. 이는 그림 1에 상징적으로 표시되어 있습니다. 온도가 상승하거나 하강하면 한 단계에서 다른 단계로 이동합니다. 그러나 온도 변화가 충분히 빠르면 특정 단계를 건너뛸 수 있습니다. 따라서 우리는 결정 상태를 거치지 않고도 액체에서 유리로 또는 그 반대로 이동할 수 있습니다. 이를 위해서는 이 전이의 특징적인 시간이 얼음의 핵 생성과 성장에 필요한 특징적인 시간보다 짧으면 충분합니다.

수성 시스템의 상 변화에 대한 냉각 및 가온 속도의 영향. 가로축은 켈빈 단위의 온도를 나타내며, 네 가지 상태(유리, 결정, 액체 및 기체) 사이의 전이 온도는 Tglass(유리 전이 온도), Tmelt(용융 온도) 및 Tboil(기화 온도)로 표시됩니다. 이 축은 표시된 온도를 지날 때의 상태 변화에 따라 양방향으로 횡단할 수 있습니다. 세로축은 온도 변화가 발생하는 속도를 나타냅니다. 언급된 네 가지 상태에 대한 시스템의 분자 배열은 예시적인 방식으로 표현됩니다. 이 다이어그램에서는 표시된 온도를 통과하는 속도가 특히 중요하며, 액체에서 유리 상태로의 변화와 관련된 주제와 가장 관련이 있습니다. 액체에서 유리상으로 또는 그 반대로 이동하는 지나치게 느린 온도 변화(세로 축의 낮은 값)는 결정상을 통과하는 데 필요한 통과를 의미하며, 이는 수성 시스템에서 얼음의 형성을 의미합니다. 대신, 높은 냉각 및/또는 가온 속도(세로 축의 높은 값)가 "결정질" 영역을 우회하여 액체 상태와 유리 상태 사이에 직접적인 변화를 제공합니다.