水结冰是自然界中普遍存在的现象，在相对较高的过冷度下，能够促进水相变的物质被称作冰晶成核剂。冰晶成核剂对气候调节（如人工降雪）、农业发展（促冻杀虫）、制冷（提高相变点以促进节能）、生物医学（强化杀伤作用）等领域均有广阔的应用前景。目前常用的冰晶成核剂通常包括两类，一类以无机材料为主，如碘化银（常用于人工降雨）、矿物颗粒及无机纳米颗粒；另一类生物冰核以细菌和真菌为主，对农作物防霜冻具有重要的调节作用。然而，目前天然的具有生物相容性的冰晶成核剂鲜有报道，特别是具有分子靶向性的冰晶成核剂研究较少。 

　　近日，针对此问题，中科院理化所液态金属与低温生物医学研究中心发现天然产物纳米纤维素晶体具有促进冰晶生长的特性，通过将自然界第一丰富的多糖纳米纤维素晶和第二丰富的多糖壳聚糖进行交联获得了分子靶向冰晶成核剂（图1）。

图1. 纳米纤维素晶体促进针状冰晶生长和调控分子靶向冰晶成核原理示意图

　　实验证明，当纳米纤维素晶存在时，冰球的形成尺寸可提高约37%。更有趣的是，纳米纤维素晶的加入可以刺激冰晶的边缘呈现针尖状生长。这表明该纳米体系的加入不仅能够增强细胞的冷冻损伤更进一步促进了细胞的机械损伤。分子动力学模拟结果表明，纳米纤维素晶的加入确实使冰晶生长的速度加快了约500倍，而且纤维素羟基在(-110)表面的有效暴露可能是导致水更快成核的主要作用机制（图2）。

图2. 纳米纤维素晶在冰晶成核中的分子水平机理

　　进一步的，利用靶向性材料壳聚糖修饰纳米纤维素晶，发展了一种无毒且能有效增强特定部位冰晶成核的增强剂。该冰晶靶向成核剂借助细胞对纳米颗粒的胞吞效应，大大促进了胞内冰晶成核率（见图3）。

图3. 壳聚糖-纳米纤维素晶促进细胞内冰晶成核率

　　基于以上发现，我们将开发的壳聚糖-纳米纤维素晶靶向成核增强剂引入低温冷冻治疗领域，首次提出了分子冷疗概念，借助壳聚糖-纳米纤维素晶强化相变机械损伤和强化传热的协同作用机制，实现了冷冻消融相变过程中分子尺度能量的精准递送。结果表明，将靶向冰晶成核剂引入冷冻消融后，添加壳聚糖-纳米纤维素晶体的细胞存活率比单独冷冻消融的细胞存活率降低了10倍以上。进一步的体内实验也验证了其安全性及增强的肿瘤破坏效果，证明了纳米纤维素晶体优越的冰晶成核性能（图4）。

图4. 壳聚糖修饰的纳米纤维素晶介导的冷冻手术的细胞毒性和抗肿瘤能力 

　　这项工作促进了材料科学、低温生物学和肿瘤治疗学的基础科学知识的交叉应用，并加深了对冰核形成机制的理解，从而对冰核形成的基本原理有了深刻的认识。

　　相关成果以“Cellulose Nanocrystals Facilitate Needle-like Ice Crystal Growth and Modulate Molecular Targeted Ice Crystal Nucleation”为题，发表在Nano Letters上，并被选为supplementary封面文章（DOI:10.1021/acs.nanolett.1c00514）。文章第一作者为理化所在读博士生后仪，饶伟研究员为该论文的通讯作者。以上研究工作得到国家自然科学基金重大项目课题和国家重点研发计划的大力支持。