中国科学院理化所饶伟/刘静团队Matter：终结者材料液态金属保护剂，打破器官深低温保存瓶颈

2026-04-26 19:14

上海

物质科学

Physical science

低温保存是生物样本长期保存的最有效手段。目前，慢速冷冻与玻璃化方法已成功用于从细胞到部分组织的冻存。随着临床医学的快速发展，再生医学与器官移植对“即用型”大尺度组织或器官的保存需求急剧上升。对于结构复杂的大样本，玻璃化冻存较传统慢速冷冻更具优势—它通过快速降温与复温，避免了冰晶形成及其造成的机械损伤。然而，生物样本由于自身热阻高、导热差，如何在大尺度组织或器官中实现高效传热、避免致命性热应力损伤，长期以来始终是低温生物及临床医学领域面临的重大技术挑战和亟需解决的核心难题。

基于以上难题，2026年3月30日，中国科学院理化所饶伟研究员与刘静研究员团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上发表了题为“Liquid metal cryoprotectants for scalable biosamples cryopreservation”的研究成果。该团队开创性地提出了一种基于液态金属保护剂实现多尺度强化传热的器官低温保存范式，以全新的“介入式”策略，通过可组织注射、可血管网络灌注以及可在组织表面涂敷的新概念型液态金属保护剂，显著降低了遍布组织与器官的界面与接触热阻，并大幅提升了复温速率。新方法在组织和器官中构建了一条“热高速公路”，实现了快速均匀的热量传递，使热应力降低了两个数量级。在长达近10年的持续探索实践中，团队围绕兔皮肤、动脉和肾脏等多种尺度生物样本系统验证了新方法的有效性。尤为重要的是，该技术实现了玻璃化冻存10mL级兔肾脏一周后的成功同种异体移植，并支持受体动物存活。这一突破为复杂组织与器官的冻存提供了普适、多尺度强化降温与复温策略，为突破器官救治的“时间与空间极限”提供了颠覆性冻存取用途径，有望缓解供体器官严重短缺问题，进而革新挽救生命的移植手术。

研究亮点

构建“表面+体积”跨尺度介入式强化传热通路，热应力降低两个数量级；

研发超高导热柔性液态金属低温保护剂，导热性能创已报道冷冻介质新高；

实现皮肤、血管、肾脏不同形态、不同尺度生物样本的高效冻存；

实现10mL级兔肾脏玻璃化冻存一周后同种异体移植存活，实现尺度跨越。

成果简介

要点一：提出介入式传热范式，破解传热核心瓶颈

团队针对深低温玻璃化保存中，器官因热导率低、温度梯度大导致的冰晶损伤和热碎裂难题，建立了“表面+体积”跨尺度协同传热新路径，成功打通器官内外传热壁垒，将热应力降低两个数量级，从根本上解决大尺度器官冻存的核心痛点。

图1. 基于液态金属低温保护剂及多尺度介入强化传热的器官低温保存方法。

要点二：研发超高导热保护剂，性能刷新行业纪录

自主研发由镓铟合金与聚乙烯吡咯烷酮混合而成的柔性液态金属低温保护剂，其导热系数高达9.3 W/m·K，较传统纳米复温液提升近10倍，是目前已报道冷冻保护介质中的最高值。同时，利用液态金属保护剂在低温下的相变平整化特性，使其如同“液态铠甲”般完美、紧密地贴合在不规则器官表面，大幅降低了传统刚性金属材料难以避免的接触热阻与界面热阻。

图2. 液态金属介入强化传热。(A) 降低界面热阻；(B) 降低接触热阻；(C) 提升热扩散性能；(D) 综合热性能雷达图。

要点三：多尺度验证有效，实现器官冻存移植尺度跨越

团队在兔皮肤、动脉、肾脏等多尺度生物样本中完成系统验证：-196℃玻璃化保存后，皮肤和血管复温存活率分别提升1.7倍和3.6倍；实现10mL级兔肾脏经-150℃玻璃化保存7天后，成功完成同种异体移植。相较于此前全球仅能实现的1mL级大鼠肾脏玻璃化保存后异体移植，实现了10倍尺度跨越。

图3. 兔肾脏玻璃化保存和异体移植受体动物功能评估。

要点四：临床价值显著，助力器官移植行业革新

液态金属保护剂材料展现了良好的体外相容性和体内安全性，以及快速洗脱及高效回收的性能，显著提升了新方法的生物安全性和临床转化潜力。此外，建立了较为完整的材料学、工程热物理、器官灌注仪器平台、低温损伤及生物学评估全流程方法（图4），彰显了新技术在大尺度器官深低温保存与移植中的临床应用潜力。未来可拓展至人体肾脏、肝脏、心脏等器官的长期保存，有望缓解供体器官短缺现状，革新生命救治移植手术，为再生医学与器官移植领域带来变革性发展契机。

图4. 基于液态金属低温保护剂及介入强化传热方法的兔肾脏玻璃化保存全流程示意。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者饶伟研究员进行了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

器官深低温玻璃化保存是一个具有挑战性的课题，为此饶老师团队在文中报道了一种基于液态金属保护剂的介入强化传热方法，请问，您是如何想到选择液态金属作为低温保护的核心材料？

饶伟研究员：

器官深低温玻璃化保存的最大瓶颈是传热慢、传热不均，容易产生冰晶和巨大热应力，导致器官损伤甚至“热碎裂”。我们团队早在2018年即利用柔性液态金属纳米颗粒联合高导热液态金属适形化界面强化传热，对肿瘤表面进行边界热扩展来介导低温治疗，实现了较好的组织均温与导热效果。开发了基于液态金属材料的纳米复温技术，有效抑制了降温过程中的结晶及升温过程中的重结晶，成功实现了对人源间充质干细胞及血管的高效冷冻保存。随后，基于液态金属材料，我们团队系统研究了其能量增敏性能、药理学等，在一系列细胞及动物实验中验证了该材料的安全性和能量转换特性。基于以上研究基础我们验证了液态金属超高的传热性能、优异的适形化特性和良好的生物安全性，因此我们开发了由镓铟合金与聚乙烯吡咯烷酮混合而成的柔性液态金属低温保护剂，其导热系数高达9.3 W/m·K，较传统纳米复温液提升近10倍，用于强化器官低温保存过程中的传热效果。

CellPress：

该项工作与国际上现有的水平相比，有什么跨越？

饶伟研究员：

从全球进展来看，此前领域内主要包括表面传热（铝箔包覆、焦耳加热等）和体积传热（纳米颗粒介导的纳米复温），但表面传热仅适用于薄型、规则样本，面对大尺度、异形生物组织时，易因接触间隙产生空气热阻，严重阻碍传热效率；纳米复温则受限于纳米颗粒热导率低、体内分布不均的问题，难以实现大尺度器官的均匀复温。改下那个工作提出的介入强化传热策略实现了表面涂覆与血管灌注的协同强化传热，从根本上解决了传统技术均匀控温的难题。此外，此前的突破性成果局限于小尺度大鼠肾脏（~1ml）的玻璃化冻存和异体移植验证，而针对体积10ml级的兔肾脏模型，目前仅有研究报道了自体移植且存活率仅1/3的个例。与以上国际进展相比，我们团队此次实现了10ml兔肾脏玻璃化保存复温后器官异体移植尺度的跨越（1ml→10ml）。

CellPress：

该项工作涉及了材料科学、工程热物理、低温生物医学等交叉学科领域，请问在研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并解决的？

饶伟研究员：

在研究过程中，团队确实面临了诸多困难和挑战：1）材料探索难：不同于常规低温保护剂，用于器官的液态金属保护剂对生物相容性、安全洗脱性、传热适配性、界面粘附性等要求更为严苛，需同时满足超高导热、柔性贴合、安全无毒三大核心需求。为此，团队结合系统性文献调研与大量实验验证，筛选多种配方体系，逐一测试导热性能、界面贴合效果与生物安全性，最终优化并确定了理想的液态金属低温保护剂组合。2）实验操作难：尽管团队深耕液态金属与低温生物医学研究多年，但复杂器官的深低温玻璃化保存与移植仍是极具挑战的方向。研究期间，团队在器官灌注、玻璃化降复温、移植手术中屡遭失败，稳定实现大体积肾脏的冻存与复苏、避免热碎裂与低温损伤，成为阻碍团队前行的一座大山。为此，团队围绕灌注流程、控温速率等每一处细节反复打磨，历经数次不成功的尝试和探索，认真总结每次失败经验，逐步优化实验体系与操作流程，最终攻克了关键技术难关。

作者简介

饶伟

研究员

饶伟，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师。长期从事液态金属、低温生物医学及微纳米技术的交叉科学问题研究。近年连续在Advanced Materials，Nano Letters , Cell等国内外学术刊物发表120多篇高水平期刊论文，获授权发明专利20余项。主编《Handbook of Liquid Metals》、《纳米液态金属材料学》及《先进低成本医疗技术》著作三部。主持国自然、科技部重点研发计划、中国科学院先导项目、JKW项目、北京市科委重大专项等二十余项。入选全球前2%顶尖科学家榜单，中国科学院理化所“引进国外优秀人才计划”，获中国工程热物理学会科学技术奖自然科学奖一等奖、中国产学研合作创新成果奖一等奖、CAB-职业中期探索奖（大陆首次）、中国科学院在京成果转化特等奖、中国科学院BHPB导师科研奖等。目前担任低温生物医学北京市重点实验室主任、液态金属技术联合研究中心主任等。

刘静

研究员

刘静，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师、杰出青年科学基金获得者。长期从事液态金属、工程热物理、生物医学工程等交叉科学问题研究，并在相关领域取得开创性成果。出版有20部跨学科前沿著作并发表期刊论文600余篇。他发现了液态金属的多种全新科学现象，研发了多项液态金属应用系统及高端肿瘤治疗装备（如康博刀系统），这些成果在国内外得到广泛应用，并两次入选中国科学院科技成果在京转化先进团队特等奖。刘静教授曾荣获国际传热界最高奖之一 “The William Begell Medal”、全国首届创新争先奖、北京市科学技术奖一等奖、中国制冷学会技术发明一等奖及CCTV年度十大科技创新人物等奖励和荣誉。

后仪

特别研究助理

后仪，中国科学院理化技术研究所特别研究助理。主要研究方向包括液态金属能量增敏材料、低温治疗与低温保存的机理和应用。以第一（含共一）作者身份共发表14篇学术论文，主持国家自然科学基金青年科学基金、国家资助博士后研究人员计划C、中国科学院特别研究助理资助项目等。

汪晓红

博士

汪晓红，中国科学院理化技术研究所毕业博士生，现为中国石油集团工程技术研究院研究人员。主要研究方向包括液态金属热界面材料、低温保存的机理和应用研究。以第一（含共一）作者身份共发表6篇学术论文。