バイオサンプルを冷凍保存すると、分子運動と細胞プロセスがガラス転移の時点まで減速してすべての活動が停止し、細胞、組織、さらには生物全体が何年にもわたって保存されるようになります。
しかし、凍結の概念は単純でも、その物理的プロセスは非常に複雑です。
このブログでは、氷の物理的特性と、サンプルの凍結と解凍（これは冷却と同じくらい重要です）における主要な事象について、凍結プロセスをより深く掘り下げて説明します。
氷点下に冷却された純水は、乱れるまで過冷却液体のままです。 (以下の動画は、この点をよく説明しており、お子さんと一緒にやってみたい家庭での科学実験です!)
動画では、水筒を叩くことによって、氷の結晶ができる場所、言い換えれば、核形成の場所を提供しています。 核生成とは、液体中の分子が小さなクラスターに集まり始め、固体の結晶構造を決定するように配列する過程である。 核生成には2つのタイプがあります。
- 不均一核生成は、物理的な妨害、液体中の不純物（塩など）、容器の凹凸などの核生成部位の周囲に氷ができ始めるときに起こります。
- 均一核生成(Homogenous Nucleation)：あらかじめ定義された核生成部位がなく、氷が形成される場合に発生する。 核生成部位がない場合、純水は約-39℃で凍結する。
Cryobiology 誌のレビューによると、「氷の核生成は、従来の冷凍保存における最も重要な非制御変数であり、細胞の回復、生存率、機能においてサンプルごとのばらつきにつながる」と述べています。 著者らは核生成プロセスを制御することを推奨し、いくつかの凍結方法を挙げていますが、その多くは体外受精のアプリケーションに一般的に使用されています：
- Seeding: 指定された温度で核形成を促進するために、外部の氷の結晶を導入すること。 汚染リスクを最小限に抑えるため、シードは現在、ストローの側面にある冷たい鉗子のように、容器の外側に冷たいスポットを生成することによって行われます。 氷を核とする結晶を試料液に含ませる。
- 電気凍結(Electrofreezing)：高電圧の電気を用いて氷の形成を誘導する方法である。
- 機械的方法：振る、たたく、超音波を当てるなどは核生成に有効であるが、標準化が難しい。
- 衝撃冷却/速度制御冷凍。
- 衝撃冷却／急速凍結：試料を急速な温度上昇にさらすと核形成が促進されることがある。 これは、核生成プロセスを通じてサンプルを誘導することで、速度制御冷凍機が行うことである
- 圧力シフト。 核生成は、試料を加圧し、温度を下げ、圧力を解放することで誘発できる。
生物系における氷生成の特性や核生成プロセスの詳細については、2004年の重要なテキスト「凍った状態の生命」の第1章をチェックしてほしい。