高强度聚焦超声（HIFU）是一种治疗模式，在肿瘤学[1]、[2]、[3]、[4]和神经学[5]、[6]领域得到了广泛应用，因为它能够以可控、非侵入性和非电离的方式将能量深入组织内部。声场产生的热效应尤为显著，使得诸如热疗[7]、[8]、[9]和热消融[10]等创新手术方法成为可能。最近，HIFU成为解决冷冻生物学中一个关键挑战的有效手段：实现玻璃化生物样本的快速且空间均匀的重新加热，这对于需要快速体积加热的大样本尤为重要[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。
通过玻璃化进行冷冻保存是一种在低温下保存生物系统的强大方法，不会形成致命的冰晶。然而，冷却过程中形成的玻璃态在热力学上是亚稳态的。如果重新加热过程中通过再结晶区的过渡太慢或空间不均匀，小冰核可能会生长成致命的晶体[17]，并可能出现裂纹[18]、[19,20]，从而不可逆地损坏样本。随着样本大小的增加，这一挑战变得更加突出。因此，安全的重新加热方法需要高的热传递速率和严格的空间均匀性[21]、[22]。对于目前可用的最佳冷冻保护剂而言，这意味着在晶体生长最可能的温度范围（-80°C至-30°C）内，加热速率需超过50°C/分钟，并在整个过程中保持温度不均匀性低于10°C。
已经探索了几种技术来满足这些要求，包括微波、纳米加热和介电加热。微波加热能快速传递能量，但由于在复杂的生物几何结构中会产生驻波和热点[23]，以及可能出现的热失控问题。纳米加热[24]、[25]利用分布在样本中的磁纳米颗粒进行感应加热，但这种方法存在生物相容性、均匀性、热失控可能性以及监管复杂性的挑战。介电加热和其他电磁方法[26]、[27]也在研究中，但在空间控制和可扩展性方面面临类似的限制。
在此背景下，我们的团队在2018年提出使用HIFU作为重新加热玻璃化生物系统的新方法[13]、[14]。通过模拟和实验研究，我们证明了HIFU不仅可以实现所需的重新加热速率，还可以通过声波束操控实现空间控制。这些早期发现为基于超声的重新加热新范式奠定了基础。
在此初步工作之后，我们将HIFU应用于生物学相关的模型。在[11]中，我们成功复活了在-80°C下冷冻保存的成年秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）。利用聚焦超声进行重新加热，我们避免了再结晶，实现了整个多细胞生物体的完全恢复。最近，在[12]中，我们将这种方法扩展到了可移植的哺乳动物器官。切除的小鼠心脏在冷冻保护剂溶液中于-6°C下冷冻保存，然后使用定制的HIFU装置进行重新加热。整个重新加热过程在15秒内完成，通过Langendorff灌注和组织学分析确认心脏功能完全恢复。而使用传统方法重新加热的对照组心脏则表现出显著的生理退化，这突显了基于超声方法的有效性。
这些结果提供了有力的概念证明，表明HIFU可以在低温储存后恢复复杂生物系统的全部功能。然而，这些初步研究中使用的系统仅限于单个换能器元件，其电功率为50瓦。虽然适用于小规模演示，但这种配置缺乏用于人类规模或临床应用所需的功率和空间灵活性。
为了解决这些限制，我们设计并表征了一种基于128元件相控阵列HIFU的系统，该系统能够输出500瓦的电能。得益于焦点的电子操控，该系统能够在厘米级样本上实现亚毫米级的精确体积加热和均匀的温度梯度。
我们系统的准备工作基于包含生物材料温度依赖性声学特性的模拟。特别是Liang等人的[28]和Xu等人的[15]、[16]的研究，提供了关键声学参数（如声速和低温度下的衰减）的全面综述和实证测量，以及加热过程中需要解决的技术方面。这些研究证实了超声在低温条件下的传播可行性，并为我们的系统优化提供了宝贵数据。我们在此介绍了一个经过表征和使用的系统，旨在重新加热小型器官，扩展了之前的方法。
本研究对所提出的系统进行了全面的特性分析和应用。我们采用了结合模拟和实验验证的混合方法。最终，我们在含有冷冻保存组织模型的冷冻管和小鼠器官上测试了我们的系统，使用多个k型热电偶和数据记录设备记录了这些情况下的温度均匀性和加热速率。
