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凍干預(yù)凍過程中的過冷、冰晶成核和生長

來源:優(yōu)醫(yī)全(天津)生物技術(shù)有限公司   2025年07月31日 11:16  

過冷、冰晶成核和生長

在冷凍干燥(凍干)的預(yù)凍階段,過冷現(xiàn)象、冰晶成核與生長是影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的核心物理過程。以下從機(jī)理、影響及調(diào)控策略三方面給大家做分享:


一、過冷(Supercooling)

1、定義與機(jī)理

過冷:液體溫度降至冰點(diǎn)以下(如純水可過冷至-40℃以下)仍未凍結(jié)的現(xiàn)象。

原因:均質(zhì)成核能壘較高,缺乏成核位點(diǎn)時(shí),液態(tài)水分子難以自發(fā)排列成有序冰晶結(jié)構(gòu)。

2、對凍干的影響

2.1冰晶尺寸:過冷度越大,成核后冰晶生長速率加快,形成細(xì)小冰晶(快速凍結(jié))。

2.2結(jié)構(gòu)破壞:細(xì)胞內(nèi)過冷可能導(dǎo)致冰晶在胞內(nèi)形成(滲透脫水不足),刺破細(xì)胞膜。

2.3干燥效率:細(xì)小冰晶形成致密結(jié)構(gòu),可能阻礙后續(xù)升華階段的水蒸氣逸出。


二、冰晶成核(Nucleation)

1、成核類型

均質(zhì)成核:無外界干擾,僅靠水分子自組織形成晶核。需過冷度(如純水需≈-40℃),實(shí)際凍干中罕見。

異質(zhì)成核:依賴雜質(zhì)、容器壁或添加劑的表面催化作用降低成核能壘。常見于實(shí)際凍干過程,成核溫度接近冰點(diǎn)(如-5℃至-20℃)。

2、調(diào)控策略

2.1添加成核劑:如銀碘化物、納米顆粒,提供成核位點(diǎn),減少過冷度。

2.2表面處理:粗糙容器壁促進(jìn)異質(zhì)成核。

2.3溫度振蕩:短暫升溫-降溫循環(huán)誘導(dǎo)成核。


三、冰晶生長(Crystal Growth)

1、生長機(jī)制

1.1方向性:冰晶沿?zé)崽荻确较蛏L(如從外向內(nèi))。

1.2速率控制:

慢速冷凍(0.1~1℃/min):冰晶在細(xì)胞外緩慢生長,擠壓細(xì)胞,但允許胞內(nèi)水分滲出(減少胞內(nèi)冰晶)。

快速冷凍(>10℃/min):形成細(xì)小冰晶,但可能導(dǎo)致胞內(nèi)冰晶損傷。

2、冰晶形態(tài)與凍干效果

2.1大冰晶(慢凍):形成多孔通道,升華效率高。可能破壞細(xì)胞/蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)(機(jī)械應(yīng)力)。

2.2小冰晶(快凍):結(jié)構(gòu)致密,升華阻力大,但保護(hù)精細(xì)結(jié)構(gòu)(如病毒顆粒)。

凍干預(yù)凍過程中的過冷、冰晶成核和生長

四、工藝調(diào)控:平衡過冷、成核與生長

1、關(guān)鍵措施

1.1控制降溫速率:

生物樣品:程序降溫(如1℃/min)結(jié)合保護(hù)劑(如海藻糖),促進(jìn)胞外冰晶生長。

食品/簡單溶液:快速冷凍(液氮噴淋)形成細(xì)小冰晶,保留色澤/營養(yǎng)。

1.2退火(Annealing):

預(yù)凍后短暫升溫至略低于共晶點(diǎn),促使小冰晶融化并重結(jié)晶為均勻大冰晶,優(yōu)化升華路徑。

2、成核控制:添加成核劑(如冰核蛋白)或超聲誘導(dǎo),減少過冷隨機(jī)性。

3、保護(hù)劑設(shè)計(jì):

小分子(甘油):降低冰點(diǎn),抑制冰晶生長。

大分子(聚乙烯吡咯烷酮):促進(jìn)玻璃化,固定非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。


五、應(yīng)用實(shí)例

疫苗凍干:過冷度控制在-10℃以下,添加海藻糖促進(jìn)異質(zhì)成核,形成均勻冰晶,保護(hù)病毒衣殼完整性。

細(xì)胞保存:程序降溫(-1℃/min)結(jié)合DMSO,引導(dǎo)胞外冰晶生長,避免胞內(nèi)凍結(jié)。

食品凍干:草莓切片預(yù)凍時(shí)通過退火處理(-25℃保持1小時(shí)),增大冰晶尺寸,減少復(fù)水后質(zhì)構(gòu)塌陷。

凍干預(yù)凍過程中的過冷、冰晶成核和生長



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