《SLAS Technology》：Thermodynamics of custom-designed labware and an automated cryostorage system for human reproductive cells and tissues
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研究人员针对人类生殖细胞及组织（如卵母细胞与胚胎）在低温保存过程中的温度稳定性问题，采用玻璃化冷冻技术（vitrification）将其长期储存于低于-150°C的低温环境中。当前行业内普遍依赖人工操作，包括数据记录与设备管理，导致标本级温度控制存在风险。为此
研究人员针对人类生殖细胞及组织（如卵母细胞与胚胎）在低温保存过程中的温度稳定性问题，采用玻璃化冷冻技术（vitrification）将其长期储存于低于-150°C的低温环境中。当前行业内普遍依赖人工操作，包括数据记录与设备管理，导致标本级温度控制存在风险。为此，研究人员开发了一种结合数字化管理的自动化冷冻存储设备（Investigational Device, IDV），并对其在正常与极端工况下的热力学特性进行了实验评估。通过与行业常规设备（Conventional Device, CD）的比较，研究发现，IDV在静态与动态运行状态下均能维持标本温度远低于临界阈值。暴露于环境温度下时，CD标本温度升至-100°C所需时间显著短于IDV组件（分别为165.0±4.4秒与693.5±33.2秒，P<0.001），即使IDV起始温度更低。以小鼠单细胞胚胎为模型的最高安全温度测定结果显示，-80°C为安全上限，在此温度下IDV与CD标本在第5天均达到100%扩张囊胚发育率。IDV组件达到该安全温度所需时间为1002.25±82.54秒，显著高于CD的251.63±12.79秒（P≤0.001）。研究表明，IDV能够在正常使用中维持人类生殖细胞与组织的安全温度；若发生意外暴露至环境温度的情况，其组件可延长标本在安全温度范围内的停留时间，降低损伤风险。此外，哺乳动物胚胎在短暂超过玻璃化转变温度（glass transition temperature, Tg）的条件下仍能正常发育，后续研究需进一步探讨时间与温度变化的综合影响。
随着辅助生殖技术的发展，玻璃化冷冻已成为人类生殖细胞与组织长期保存的重要手段。该方法通过将标本迅速降温至低于水的玻璃化转变温度（Tg，常取-132°C），使其进入无结晶的玻璃态，从而避免冰晶损伤。然而，目前大多数生殖中心仍采用人工管理的小型液氮罐（Dewar）进行冷冻存储，缺乏实时环境监测与数字化追踪，导致标本可能因温度波动、液氮不足或人为失误而受损。此外，人工检索标本的过程繁琐且易导致疲劳，增加了出错风险。自动化冷冻存储系统利用气相液氮（vapor nitrogen, VN2）可在不牺牲安全性的前提下降低设备重量并简化操作流程，但其热力学特性尚未在人类生殖标本上得到充分验证。因此，研究人员开发了适用于人类卵母细胞和胚胎的自动化冷冻存储系统（IDV），并开展了全面的热力学性能测试与生物安全性评估。该研究发表于《SLAS Technology》。
在关键技术方法方面，研究人员设计了三项实验：系统级热力学测试、环境温度下的热性能比较，以及哺乳动物胚胎存活率测定。系统级测试包括静态与自动化运行状态下的温度监测；环境温度实验比较了IDV专用耗材（CryoGrid与CryoBeacon）与传统耗材（cane与goblet）在常规操作与意外掉落情况下的热响应；胚胎存活实验采用小鼠单细胞胚胎为模型，测定其在不同温度暴露后的发育能力。所有实验均采用T型热电偶进行高精度温度采集，并使用统计分析方法验证组间差异。
研究结果
3.1 IDV静态状态温度性能
在连续六个液氮填充周期中，IDV各层标本温度均保持在安全范围内，顶层平均最低温度为-192.8°C，填充周期内温度波动幅度不超过5.2°C。
3.2 IDV自动化状态温度性能
连续12次自动化升降操作中，顶层静态探针的温度上升速率最高为5.19°C/h，底层最低为0.94°C/h。自动化探针的温度峰值集中在启动后约2分56秒，且随循环次数增加，单次温升幅度逐渐减小，第25次循环时预计低于1°C。
3.3 IDV静态保持时间测定
断开液氮供应后，顶层标本温度达到-150°C的平均时间为11.81天，据此设定IDV的安全静态保持时间为12天。
3.4 正常操作热性能
无论是IDV耗材还是传统耗材，在模拟常规操作时均未出现超出基线的温度变化。
3.5 误操作热性能
传统耗材掉落在地面后立即回收未造成标本温度显著变化；但在环境温度暴露实验中，CD升温至-100°C的速度显著快于IDV耗材（165.0±4.4秒 vs 693.5±33.2秒，P<0.001）。
3.6 哺乳动物胚胎存活率——最高安全温度
小鼠胚胎在-80°C以内暴露均可实现100%扩张囊胚发育率。IDV耗材达到该温度的时间为1002.25±82.54秒，显著长于CD的251.63±12.79秒（P≤0.001）。
讨论与结论
研究表明，IDV在静态与动态条件下均能稳定维持标本温度在安全范围，且在意外暴露时提供更长的温度缓冲时间。尽管气相液氮的初期温度高于液相液氮，但IDV的耗材设计通过更大的热容有效延缓升温速度。胚胎实验证明，短时间超过Tg并不一定导致发育失败，但更长时间或更高温度的影响仍需进一步研究。与传统系统相比，IDV在数字化追踪、自动化操作及温度稳定性方面具有明显优势，可减少人为错误并减轻胚胎学家的工作负担，从而提高生殖标本管理的整体安全性。
