细胞作为生命的基本单元,在生命科学、医学等领域具有重要的研究意义,也已经广泛应用于细胞治疗、组织工程和药物开发等领域。目前,超低温冷冻保存(冻存)是细胞长期保存最可靠的手段,而冻存保护剂是成功实现超低温保存的关键。然而当前冻存保护剂的局限性,特别是细胞毒性,限制了冻存技术的发展。因此,开发高效无毒的新型冻存保护剂意义重大。我们发现天然渗透压调节剂是广泛存在于生物系统中的亲水性分子,通常具有良好的生物相容性。因此,本文基于冻存损伤机理,提出天然渗透压调节剂可能成为冻存保护剂的理想候选,并考察了它们的冻存保护效果。首先,本文对三种代表性天然渗透压调节剂(脯氨酸、甘氨酸、牛磺酸)的细胞毒性、细胞渗透压调节能力和水溶液的热力学性质进行了研究,系统评价了它们的生物相容性、防止渗透压损伤和冰晶损伤的能力,发现脯氨酸能力最为突出。然后,采用超速冻存法实现了四种细胞系(GLC-82、LTEP-a-2、3T3、SMCs)的高效冻存,发现脯氨酸冻存效率最高,且显著优于传统冻存保护剂DMSO。基于以上实验结果,本文进一步探讨了冻存保护机理。其次,本文又将天然渗透压调节剂用于红细胞的超低温冻存,并取得了良好的效果。其中脯氨酸的冻存效率最高,与调节红细胞渗透压的能力规律一致。溶血率、细胞形态等测试证明天然渗透压调节剂可以迅速洗脱实现快速供血,具有良好的血液相容性。从而为解决当前红细胞“金标准”冻存保护剂甘油在洗脱过程中极易导致红细胞溶血的难题提供了有力手段。最后,本文还开发了天然渗透压调节剂与天然/合成聚合物的组合配方,进一步提高冻存保护效果,并初步探索它们的协同保护机理,为新一代冻存保护剂的开发提供了方向。