[论文解读] Thermodynamic principles of emerging cryopreservation technologies

Matthew J. Powell‐Palm, Anthony N. Consiglio|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2026

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一句话总结

章节通过统一的热力学框架来分析平衡、动力学与传输驱动的冷冻保存技术，并通过这一视角回顾现状。

ABSTRACT

Modern cryopreservation exists at the convergence of diverse disciplines--materials science, physical chemistry, mechanical engineering, biological engineering, etc.--and emerging technologies often draw from many of these disciplines simultaneously. Thermodynamics, as one of the foundational theories underlying both physical and biological science, provides a framework through which to understand these interdisciplinary technologies, yet the full kit of requisite thermodynamic tools is not housed within any one discipline. This Chapter aims to articulate a foundational thermodynamic approach to the description, interrogation, and design of modern cryopreservation technologies, and to review the state of the art in emerging cryopreservation technologies through the lens of this approach. We focus in particular on the management of phase change across equilibrium-driven techniques (e.g., liquidus tracking, partial freezing, isochoric freezing), kinetics-driven techniques (e.g. supercooling, ice seeding), and transport-driven techniques (e.g. directional freezing, droplet approaches), and we hope to equip the reader with a self-consistent theoretical toolkit that enables meaningful comparison of these techniques from a thermodynamic perspective.

研究动机与目标

• 用基础的热力学方法来描述和设计冷冻保存技术。
• 在吉布斯热力学框架下统一分析平衡、动力学、传输驱动的冷冻保存方法。
• 为冷冻保存中的相行为、成核与传输效应提供预测工具。
• 使对多样化技术（如液相线追踪、部分冷冻、等容冷冻、过冷、播种、定向冷冻）等的有意义比较成为可能。

提出的方法

• 用化学势、相平衡和吉布斯自由能来框定冷冻保存。
• 利用吉布斯解决方案热力学来建模含有防冻剂的水/冰在溶液中的行为。
• 提出并比较理想解、尺寸相关理想解（SIS）和渗透-蒸气理论的理论。
• 通过吉布斯-亥姆霍兹关系和等容热力学推导相共存和熔点/凝胶点。
• 在等压和等容情境下解释相比例的杠杆定律。
• 引用 SeaFreeze 水/冰及溶液性质的状态方程。
• 讨论平衡、成核动力学（CNT）和传输驱动方面作为互为独立但相关的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 吉布斯热力学如何统一描述冷冻保存技术中的平衡、动力学和传输方面？
• RQ2 定义冷冻保护剂溶液中相平衡和相分数的热力学条件（温度、压力、组分或特定体积）是什么？
• RQ3 在热力学要求与预测上，平衡模型（液相线追踪、部分冷冻、等容冷冻）与动力学方法（成核、播种）及传输驱动策略（定向冷冻、液滴）有何差异？
• RQ4 在一个共同的热力学框架下，哪些预测工具可以比较多种冷冻保存技术？

主要发现

• 提供一个基于化学势、相平衡和热量/质量传输的自洽热力学工具包，用于评估冷冻保存技术。
• 显示平衡驱动方法（液相线追踪、部分冷冻、等容冷冻）如何依赖水与冰之间的相平衡。
• 将动力学方法（过冷、冰晶播种）与在热力学框架内的成核与生长速率联系起来。
• 演示杠杆定律分析在等压和等容系统中对冰相比例的预测。
• 说明吉布斯-亥姆霍兹关系如何从纯组分数据计算熔点、共晶和相图。
• 使用 SeaFreeze 状态方程来计算水/冰与冷冻保护剂溶液的化学势和相行为。
• 主张对多组分 CPA 鸡尾酒进行预测性筛选，使用渗透-威尔模型及相关模型来处理非理想溶液行为。