生物材料在冷驱动下,材料细胞内将产生冰晶,细胞内冰晶的形成会导致严重的细胞损伤从而破坏生命材料的质量。细胞内冰晶的形状、尺寸、生长速率和方向都将对细胞以及细胞间隙产生影响。细胞层面的基础研究是必不可少的一部分。因此了解胞内冰的形成过程、形成原因以及对细胞损伤的程度是必要的,特别是细胞内相界面移动特征的观察研究,获取冷驱动下胞内冰生长的详细信息可为低温环境中生命材料保持良好状态提供重要的理论依据。为了便于量化研究,以体积大易观察的洋葱细胞作为研究对象,采用不同的降温速率、不同的接种冰晶方式,并利用低温显微系统配合高速摄像机,可视化研究细胞内清晰的相界面移动过程。同时,为了进一步了解不同生命材料的细胞内结构对胞内冰形成的影响,以蚕豆种子为研究对象,用细胞松弛素B溶解细胞骨架,采用低温显微系统在不同的冷却速率下进行冷冻实验。应用数字图像的相关方法记录胞内冰的生长过程,计算胞内冰晶出现的频率与细胞骨架变化的关系以及不同冷冻方法对胞内冰生长的影响。采用高速摄像仪观察冰晶生长过程,实验发现了三种模式的胞内冰晶生长行为。模式A:细胞壁结晶后继续在边缘结晶;模式B:细胞壁结晶后,向中心扩散,横贯中心位置;模式C:中心首先结晶,扩散至细胞边缘。并通过统计学方式,对三种不同过程的冰晶生长速率进行了计算分析。研究发现冷冻方式起着关键作用,接种冰晶影响细胞内冰晶的形成温度及冰晶的生长速率;冷却速率影响胞内冰的生长模式,在结晶温度相同时,模式A出现的概率最大。随着冷却速率增加,模式A出现的概率降低,模式B和模式C出现的概率增加。在相同模式下,冷却速率越大,冰晶的生长速率越快;相同冷却速率下,模式B生长速率最快。胞内冰的出现会导致生命材料的细胞出现损伤,实验结果发现,胞内冰的生长受到冷却速率的影响,增加冷却速率使得在相同温度下细胞内冰晶出现的概率降低。但冷却速率的增加也使得细胞的边缘冰晶生长速率增加,通过光强度图分析发现,此时出现的冰晶使得细胞的损伤程度增加。细胞内冰晶的形成与细胞骨架的结构有关,实验结果表明,使用细胞松弛素B处理过的细胞在冷冻过程中结晶时的温度更高,结晶所用的时间更短。但细胞内骨架的结构对胞内冰晶的生长模式影响较小。最后为全面了解植物材料在整个冷冻过程中的损伤程度,使用灰度检测的方式对细胞变形进行了测量与绘制,通过比较细胞冷冻前后的变形场,发现不同的冷冻参数的设定对细胞的损伤程度不同,随着冷却速率的增加,细胞内的变形程度减小,并且通过接种冰晶的方式可以减少细胞的变形。