低温保存对于细胞、组织、器官甚至新近出现的生物复合物的长期储存是一种有效的不可或缺的方法,被广泛应用到干细胞治疗、生物组织工程、再生医学等生物医学领域。低温的深度保存（-196℃）主要包括慢速降温的两步法保存和快速的玻璃化保存。慢速降温的两步法保存是目前应用最广的方法,但仍然存在着一定的缺陷,尤其是在干细胞及生物材料的保存中。在慢速降温的两步法保存过程中,细胞或生物材料内会产生冰晶,这将造成细胞和生物材料的机械性损伤,而且在慢速降温过程中还存在着溶质损伤。同时,干细胞的慢速保存可能会影响干细胞功能等。玻璃化低温保存可以避免在冷冻降温时冰晶的形成,但是传统的玻璃化保存应用到了高浓度的低温保护剂,这会造成细胞的毒性损伤。因此,探索低浓度低温保护剂下的玻璃化低温保存方法是非常必要的。低浓度玻璃化保存方法面临最大的挑战是复温过程中再结晶的发生,所以,了解再结晶发生的原因以及影响因素是非常重要的。本文首先利用低温显微镜检测了悬浮和贴壁两种状态下的细胞在不同降温速率下和不同溶液中的胞内冰和再结晶的形成概率以及冷冻复温后细胞的活性。其结果发现,随着降温速率的增加,胞内冰和再结晶的形成概率有所增加。同时,在有1 M DMSO存在的条件下,胞内冰和再结晶的形成会比在PBS中有所延迟。虽然在1 MDMSO溶液中,胞内冰和再结晶的形成概率比在PBS溶液中高些,但是复温后的存活率也高,这可能是因为冰晶形成只是细胞损伤的一种因素,在低温保存中,低温保护剂可以保护细胞,比如稳定细胞膜等。相对于悬浮细胞,贴壁细胞在同样的降/复温过程中,其胞内冰形成概率会高很多,但是复温后的细胞活性却比悬浮细胞要高,这是因为细胞间的间隙连接可以避免细胞在冷冻过程中过度脱水,同时在低温环境下保护细胞等。已有研究表明纳米颗粒在溶液冷冻时可以促进其冰晶形成等,而Fe304纳米颗粒已经被应用到组织冷冻的复温过程中,但是它对冻存溶液的影响研究的还不多,因此我们利用低温显微镜观察不同浓度的Fe304纳米颗粒对溶液冰晶形成的影响,结果发现,当溶液中添加Fe304纳米颗粒后,冰晶成核的温度点会提高10℃ 左右,同时冰晶生长的速率也会增加。这是因为在这个冷冻过程中,纳米颗粒可以被看作是冰晶形成的成核剂从而促进冰晶成核及生长。在以往的低浓度低温保护剂的玻璃化低温保存研究中,人们常常用海藻酸盐凝胶来抑制复温过程中反玻璃化的发生,但是对于海藻酸盐水凝胶的低温显微镜的研究还比较少。我们利用低温显微镜来研究一定厚度（200 μm）的海藻酸盐水凝胶对冰晶形成的影响以及低温环境对海藻酸水凝胶微球结构的影响,我们发现在冷冻过程中海藻酸盐水凝胶内仅有少量的冰晶形成,且在复温过程中没有再结晶发生,这说明了海藻酸盐水凝胶在一定程度上可以抑制冰晶的形成和再结晶的发生。同时,我们发现当低温保护剂浓度大于1M（渗透性）时,海藻酸盐水凝胶微球的形态不会受到冷冻复温的影响。在较低浓度的渗透性低温保护剂（2 M）存在时,形成的冰晶边界多是尖锐的,而在高浓度的渗透性低温保护剂（4 M）或是在2 M渗透性低温保护剂和1.3 M海藻糖存在时,形成的冰晶边界多是圆润、光滑的。因此,在低温保存细胞等生物样品时,糖的添加会大大提高保存效率。我们利用DSC方法检测了海藻酸盐水凝胶微球对不同浓度低温保护剂结晶量的影响,其结果发现,即使在较低浓度的低温保护剂存在时,有海藻酸盐水凝胶微球的会比没有的结晶量少很多,这说明了这样凝胶可以促进水向玻璃化状态转变。为了解决低浓度保护剂玻璃化低温保存过程中的再结晶等问题,我们探索了一种新的通过Fe₃O₄纳米颗粒与微胶囊化海藻酸盐水凝胶相结合的方法,成功实现了干细胞-海藻酸盐水凝胶构建物的低浓度低温保护剂下的玻璃化保存。在以往的细胞封装保存过程中,大部分采用是单一的海藻酸盐水凝胶结构,而在我们的实验中,我们采用了“核壳”结构胶囊,外部的海藻酸盐水凝胶外壳不仅可以保护细胞免受封装时溶液剪切力的损伤,也避免细胞在复温过程中冰晶的损伤,同时,这个外壳还可以把Fe₃O₄纳米颗粒与细胞隔离开。在复温过程中,海藻酸盐水凝胶可以在一定程度上抑制再结晶的发生,同时,在交变电磁场下,保护剂溶液中的Fe304纳米颗粒可以产生均匀热量进一步抑制局部以及整体溶液的再结晶或反玻璃化的发生。与传统的复温相比,这种纳米复温的方法把干细胞的贴壁效率从24%提高到68%,这对于其后期的应用尤为重要。此外,这种纳米复温方法也确保了干细胞-水凝胶构建物结构的完整和3D培养中细胞的有效增殖。这种新的纳米复温方法对于促进基于干细胞以及干细胞-水凝胶构建物等应用到临床领域有着潜在的价值。另外,为了排除生物实验过程中溶液渗透压对实验结果的影响以及更全面地检测细胞活性,我们利用微悬臂梁和细胞相结合,探索出一种新的动态溶液渗透压检测方法和细胞活性的检测方法,同时这种方法还可以用于抗癌药物的筛选等,相比一般的细胞活性检测方法,该方法更加灵敏,且无需特殊标记等。