在零下低温环境，水冻结成冰是一种常见的自然现象。然而，在生物医药、食品工业、基础设施和智能传感器等众多领域，冰的形成和生长却会带来致命的破坏与严重的安全隐患。例如，在细胞、器官冷冻保存领域，冰晶会它们造成机械损伤与渗透压损伤；在食品冷藏领域，冰晶会破坏食物结构、导致蛋白变性和质地软化；在飞机、风力发电机等户外装备、设施的表面，覆冰会带来极大的安全隐患；在柔性电子领域，结冰会显著影响传感器的导电性与柔韧性。为应对这些领域的挑战，开发高效的抗冻材料已成为当务之急。

  2026年5月17日，，天津大学张雷教授、杨静教授团队在国际知名期刊《Advanced Materials》（IF=26.8）上发表了题为“Development and applications of antifreeze materials: from nature to design”的重磅综述。天津大学助理研究员张相宇、博士生田云青、博士生杨昊宇和硕士生江晓颖为论文的共同第一作者，张雷教授和杨静教授为通讯作者。该文章系统梳理了抗冻分子和抗冻材料从天然启发到理性设计的演变历程，总结了多种先进抗冻材料的抗冻机制及相关应用（图1），最后展望中，提出了“低温合成生物学（Synthetic cryobiology）”这一全新交叉学科概念。

图1 抗冻材料的发展和应用

1. 天然抗冻材料

  大自然为抗冻材料的开发提供了宝贵的灵感，在寒冷环境中生存的冬小麦、南极细菌和极地鱼类等，进化出了多种天然抗冻分子。

  1）两性离子小分子：如甜菜碱、脯氨酸等，能通过与水分子的强静电相互作用迅速扰乱水分子的聚集，从而抑制冰成核与冰生长。它们还能使冰晶形状变平滑，以减轻对细胞膜的机械损伤。这类分子兼具渗透保护与抗冻双重功能，展现出了替代传统毒性冷冻保护体系的巨大潜力。

  2）糖类：如海藻糖等分子能破坏水分子的氢键网络、促进细胞脱水并稳定蛋白结构。同时，多糖类分子还可以凭借其羟基吸附在冰晶表面，通过空间位阻效应有效抑制冰晶生长。

  3）抗冻蛋白（AFPs）：这类分子因其独特的“吸附-抑制”机制备受关注，表现出热滞后（TH）活性、冰重结晶抑制（IRI）活性和动态冰成形（DIS）能力等独特的抗冻性质。

图2. 天然抗冻材料

2. 从“发现”到“设计”：抗冻蛋白的生物制造与理性设计

  随着研究的不断深入，抗冻材料正由天然分子的“被动发现”转向“主动设计”。

  1）生物制造：为突破天然抗冻蛋白提取效率低、成本高的瓶颈，研究人员借助合成生物学技术，利用大肠杆菌和毕赤酵母等细胞工厂，成功实现了天然或改造AFPs的异源表达，有效提升了产量与溶解性。

  2）理性设计：当前研究正逐步从经验筛选转向结构驱动的从头设计。例如，团队创新性地提出了“位点-距离”的抗冻蛋白模块从头设计原则，通过精准调控冰结合氨基酸残基间距，使其与特定的冰晶晶格实现完美匹配，成为大幅提升抗冻活性的关键策略。

  3）AI赋能抗冻蛋白设计：AlphaFold和RFdiffusion等人工智能大模型的开发，为创制更高效、低免疫原性的新型AFPs打开了广阔视野。然而，由于冰晶表面具有内在的动态特性，且当前AI大模型普遍缺乏针对低温环境的结构训练数据，人工智能在生成高效AFPs序列上仍面临亟待克服的挑战。

图3. 抗冻蛋白的生物制造与理性设计

3. 化学合成抗冻材料

  为了突破天然分子和蛋白在规模化应用上的限制，研究者们运用化学手段开发了一系列化学合成抗冻材料。

  1）抗冻聚合物与纳米材料：如PVA、聚甘油及多种纳米材料，通过模拟天然AFP的关键结构特征，实现了对冰晶生长的有效抑制，同时具备可规模化制备能力。

  2）抗冻水凝胶：在传统水凝胶体系中引入抗冻分子（如有机溶剂、离子液体），或构建本征抗冻聚合物网络，能够防止内部水分结晶，确保水凝胶在极低温度下依然保持极高的透明度与柔韧性。

  3）耐冻自修复弹性体：结合低玻璃化转变温度和动态网络（如动态亚胺键、二硫键、氢键），目前的弹性体不仅能在极寒环境种保持柔韧性，还能实现自主修复的能力。

图4. 抗冻材料的化学合成与设计

4. 多领域代表性应用

  先进的抗冻材料正在为诸多寒冷环境下的核心技术难题提供定制化的解决方案。

  1）细胞与器官冻存：传统冻存保护剂（如DMSO）具有毒性。基于甜菜碱、两性离子磁性纳米颗粒以及AFPs的新型冻存体系，不仅实现了干细胞、T细胞的无DMSO高效冻存，还在猪血管等复杂组织的玻璃化冻存中取得了重大突破。

  2）食品保鲜：抗冻分子（如植物多糖和AFPs）能有效抑制肉类、果蔬在冻融循环中的冰晶与重结晶，显著减少了汁液流失，锁住了食品的原始质地与鲜度。

  3）户外设施抗冰涂层：将抗冻分子或仿生聚合物集成到涂层中，能够显著降低冰的成核温度并大幅削弱冰的界面附着力。结合自修复特性，这些涂层在航空航天和风电基建中展现出极高的长期耐用性。

  4）柔性可穿戴传感器：结合抗冻水凝胶与自修复弹性体，团队开发出了能够在-40℃甚至-78℃极端低温下持续工作的电子皮肤，不仅能够实时感知结冰情况，还能在受损后完全自愈，为极地探测机器人和无人机设备提供了关键技术支持。

图5. 抗冻材料在细胞冷冻保存中的应用

图6. 抗冻材料在耐寒柔性智能传感器中的应用

5. 挑战与展望：迈向“低温合成生物学”

  尽管抗冻材料领域在基础研究和应用领域都已经取得了令人瞩目的进展，但由于低温环境的特殊性和当前研究方法学的局限，其复杂的构效关系仍未被彻底揭示。此外，从实验室走向规模化工程应用依然面临着巨大挑战。幸运的是，该领域吸引了越来越多科学家的关注，相关的研究和报道快速增加，推动了领域的加速发展。

  基于现有研究的认识，作者还展望了领域的未来发展，尤其是提出了一个全新的交叉方向——“低温合成生物学（Synthetic Cryobiology）”。旨在将合成生物学、低温科学、仿生学以及人工智能等领域进行深度交融。这一全新框架将有望彻底打破传统学科壁垒，实现从“被动防御低温损伤”到“在分子与基因层面主动精准驾驭冰晶”的范式跃迁，从而为精准破解极端环境下的多领域难题提供终极钥匙。

  论文信息：Xiangyu Zhang#, Yunqing Tian#, Haoyu Yang#, Xiaoying Jiang#, Yuhang Li, Xiujuan Huang, Jing Yang* and Lei Zhang*. Development and applications of antifreeze materials: from nature to design. Advanced Materials, 2026.

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73293

通讯作者简介

  张雷，天津大学讲席教授、博士生导师，生物工程系主任。获国家杰青、优青，海外高层次青年人才。《中国化学工程学报（英文版）》等期刊编委。主要研究方向包括生物化工与合成生物学、蛋白设计、低温保护、功能材料、海洋涂料等。在Nat Biotechnol, Nat Commun, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, Chem Rev., Adv Mater, Engineering, AIChE J, Research等期刊发表SCI论文100余篇。

  杨静，天津大学菁英教授、博士生导师、天津医科大学肿瘤医院客座教授；国家优青、国家级某领域青年人才。《Research》期刊青年编委。主要研究方向为生物化工、生物材料、柔性传感器件、材料合成生物学等。以第一/通讯作者在Nat Commun, J Am Chem Soc, Chem Rev, Adv Mater, Research, Adv Func Mater, ACS Nano等期刊发表SCI论文50余篇。