RF heating of magnetic nanoparticles improves the thawing of cryopreserved biomaterials

去玻璃化 低温保护剂 低温保存 材料科学 差示扫描量热法 纳米颗粒 低温生物学 化学工程 纳米技术 热力学 结晶 生物 细胞生物学 物理 工程类 胚胎
作者
Michael L. Etheridge,Yi Xu,Leoni Rott,Jeunghwan Choi,Birgit Glasmacher,John C. Bischof
标识
DOI:10.1142/s2339547814500204
摘要

While vitrified cryopreservation holds great promise, practical application has been limited to smaller systems (cells and thin tissues) due to diffusive heat and mass transfer limitations, which are typically manifested as devitrification and cracking failures during thaw. Here then we describe a new approach for rapidly and uniformly heating cryopreserved biospecimens with radiofrequency (RF) excited magnetic nanoparticles (mNPs). Importantly, heating rates can be increased several fold over conventional boundary heating techniques and are independent of sample size. Initial differential scanning calorimetry studies indicate that the addition of the mNPs has minimal impact on the freeze-thaw behavior of the cryoprotectant systems themselves. Then proof-of-principle experiments in aqueous and cryoprotectant solutions demonstrate the ability to heat at rates high enough to mitigate or eliminate devitrification (hundreds of °C/min) and scaled heat transfer modeling is used to illustrate the potential of this innovative approach. Finally, X-ray micro-computed-tomography (micro-CT) is investigated as a planning and quality control tool, where the density-based measurements are able to quantify changes in cryoprotectant concentration, mNP concentration, and the frozen state (i.e. crystallized versus vitrified).

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