[1]活动概况

“聚合论坛”致力于集中展示高分子领域近年来的研究成果和发展趋势，为全体学生搭建学术交流的平台，与名家名师面对面。

此次报告的主要内容是针对目前细胞、组织等活性生物样品深低温保真保存及大型风机叶片等表面防覆冰等领域存在的控冰难题，开展冰晶形成机制研究，创制新型控冰冻存材料、研发超低冰粘附防覆冰涂层。

| 论坛主题：仿生控冰新材料

| 嘉宾：中科院化学所王健君教授

| 举办时间：2022年2月25日下午

| 举办地点：高分子楼228报告厅

| 承办单位：高分子合成与功能构造教育部重点实验室、高分子系研究生会

[2]论坛纪要

报告开始前，徐志康教授用诙谐生动的语言对王健君教授进行了简单的介绍，并给予王教授的研究以“现实和梦幻的结合”之高度评价，与会老师与同学都对报告内容十分期待。

报告伊始，王健君教授首先介绍了仿生控冰材料研究的重要意义。他指出，在生活中，约1/10的飞机失事是由于结冰导致的，覆冰现象也会导致风力发电机叶片受损造成生命和财产损失。其次，在细胞治疗上，由于存在各种新陈代谢过程，要想实现细胞的长时间保真保存，冷冻技术的发展至关重要。此外，生物样本保存一直是国家高度关注的问题，如何有效的冻存生物样本是国际上生物样本库面临的共性问题。最后，组织器官的冻存在器官移植、人造器官保存等领域也是重要的研究课题。

    当前的冻存技术，主要是采用二甲基亚砜（DMSO）试剂，即通过二甲基亚砜与水分子形成强氢键相互作用，促进水体系“玻璃化”并避免冰晶形成。但在实际应用中，二甲基亚砜具有极强的细胞渗透性和细胞毒性，容易造成DNA的不可逆损伤，甚至会诱发恶性的细胞突变。

对仿生控冰材料的研究关键问题，在于对冰晶的成核过程和冰晶的生长过程的深度理解和可控调节。接下来，王教授对自己在控冰新材料领域的杰出工作进行了简单介绍：

（1）借助氧化石墨烯（GO）二维材料，利用其尺寸与临界冰核尺寸相当的性质，发现了纳米颗粒边界效应产生的能垒与异相成核能垒相当时，实现冰晶成核的纳米尺度调控，证实了100多年前吉布斯的预言。

X.Zhou, J. Wang, et al. Nature 2019, 576, 437

王健君教授介绍冰晶成核方面研究成果

（2）通过对一种存在于新疆的特殊昆虫进行仿生学研究，发现其体内存在一种抗冻蛋白，可以使得昆虫在-20℃的温度下冻结，并且气温回升后，消融复活。但这种抗冻蛋白的界面性能存在争议。王教授的课题组通过将该蛋白接枝到不同的硅基表面，发现了该蛋白的两个面分别具有“亲水”和“亲冰”的特殊性能。受此启发，王教授课题组创制了一种控冰结构——聚合物分子链同时具有“亲水”和“亲冰”的结构域，并通过调控该种单元形成的共聚物的链段序列，来实现针对不同细胞组织的冻存需求，定制个性化的冻存材料。

K. Liu, J. Wang, et al. PNAS 2016, 113, 14739

    除了上述的理论钻研，王教授也将研究推向实际应用，致力于解决实际问题：

（1）实现了无DMSO溶剂冻存人类卵母细胞，与传统的添加DMSO冻存剂的冻存效果相比，可以实现极高的细胞存活率和极低的DNA损伤率。

（2）提出了一种新的控冰冷冻原理，利用控冰剂控制胞外冰晶的生长与形貌，以及细胞与外界的可控物质交换，实现低损伤高保真的冻存概念。

（3）在免疫细胞冻存方面，针对异体通用型T细胞冻存，解决了γδT细胞冻存的世界难题，极大的降低药物研发与生产成本。并希望推进其在肿瘤免疫治疗中的应用。

王教授的分享和讲解结束后，同学和老师们报以热烈的掌声，大家踊跃提问。吴子良老师提出：“细胞冻存中过程中，细胞液是否会被冻住？”，针对这一问题，王教授解答曰，由于细胞外界的小分子与细胞内的水分子之间存在可逆的置换，会控制细胞液不被破坏。也有同学对“设计的冻存剂是否会进入细胞中”颇感好奇，王教授解释道，通过控制细胞膜的通径大于冻存剂的表观直径，可以将其隔绝于胞外。

提问环节过后，此次讲座也接近尾声了，在王教授就其课题研究进行精彩地分享和讲解之后，在这良好的学术交流氛围中，大家对于控冰材料都有一定的了解和启发，对王教授严谨的学术态度和发散的科研思维由衷地表示敬佩。最后与会嘉宾与高分子系的老师们合影留念，大家都希望未来能够继续进行学术交流，积极推进相关研究，让高分子在实际应用中发挥更大更强的作用。

王健君教授（左五）与高分子系老师们合影

王健君教授简介：于2006年10月在德国美因茨大学获得博士学位。2007年5月起，在德国马普高分子所担任课题组长。2010年2月回中国科学院化学研究所工作，任研究员/课题组长。主持国家自然科学基金委杰出青年基金项目与重点基金项目等。近年来主要开展冰晶形成分子机制研究：首次在实验上探测到瞬间存在的纳米临界冰核，证实了百年前吉布斯的预言；明确了纳米粒子尺寸与冰晶成核温度的相互关系；揭示了高效控冰材料的分子机制。创制的新型控冰冻存材料用于细胞与组织的深低温冷冻保存，完全摒弃了传统冻存试剂中二甲基亚砜等有毒试剂的使用，冻存复苏后的细胞、组织呈现出更高的复苏率与更优的功能；部分新型控冰冻存试剂实现商品化。开发了系列防覆冰涂层，于2021年对贵州、陕西两地的大型风机进行了防覆冰技改，技改的大型风机在2021年冬季每台约增发十万度电。