疫苗、血液制品、酶制剂等生物制品对温度极其敏感，多次冻融会严重破坏其活性。然而，现有监测技术无法直观显示冻融次数，且依赖复杂设备。3月3日，中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心杜学敏研究员团队，在结构色液体用于冻融可视化监测方面取得重要研究进展。相关成果以“Structural color liquids with sol-gel irreversibility for visualized freeze‐thaw monitoring”为题，发表在Advanced Functional Materials。该研究发展了一种在冻融循环下会发生不可逆溶胶-凝胶转变的结构色液体，基于结构色液体的颜色变化，可精准记录冻融历史，为生物制品的质量控制提供了全新解决方案。
该冻融监测结构色液体（FT-SCLs）由聚苯乙烯-丙烯酸（PS）胶体颗粒在聚乙烯醇（PVA）悬浮液中组装而成（图1）。PS胶体颗粒在液体中形成规则排列的晶片。通过改变PS胶体颗粒的尺寸（181~225 nm），FT-SCLs的初始颜色可定制为红、绿、蓝等不同颜色，以满足不同场景的需求。虽然是液体状态，FT-SCLs依然具有出色的稳定性。在常规冷链温度（-20 ℃至8 ℃）下，FT-SCLs颜色可保持稳定数十天，有效避免错误报警。
图1 FT-SCLs的构建与表征。（A-B）FT-SCLs的构建。（C-E）FT-SCLs的结构、颜色与光谱表征。（F-G）FT-SCLs的稳定性。
在反复的冻融循环下，FT-SCLs会发生从溶胶状态到凝胶状态的不可逆相变，进而带来颜色从红到绿的逐步变化（图2）。在最为常见的冻融条件下（-20 ℃冷冻、8 ℃融化），FT-SCLs随冻融次数的增加，其颜色逐步从初始的红色变为橙色、黄色和绿色。变为绿色后，无论是长时间置于冷冻或融化状态下，其颜色均不会发生回复，意味FT-SCLs可实现对冻融过程的可靠可视化监测。特别值得注意的是，FT-SCLs具有灵活调控的响应温度和精准适配的响应阈值。通过调节PVA的醇解度（从88%到80%），FT-SCLs的触发温度可低至-30 ℃，适用于超低温存储场景。通过添加植酸（PA），可加速凝胶化，进而定制FT-SCLs的响应阈值，使单次冻融便触发显著的颜色变化，满足疫苗等高敏感场景需求。
图2 FT-SCLs的冻融监测性能。（A-D）FT-SCLs在不同触发温度下的冻融监测性能。（E-G）PA添加对FT-SCLs响应阈值的调控。
此外，该研究揭示了FT-SCLs在冻融循环中发生不可逆变色的机制（图3）。FT-SCLs实现对冻融过程可视化监测的核心原理是不可逆的溶胶-凝胶相变。在冻融循环中，PVA分子逐渐结晶形成物理交联网络，导致FT-SCLs发生不可逆的溶胶-凝胶相变，压缩PS颗粒的周期性排列结构，导致反射光波长蓝移（从红最终到绿）。由于这一溶胶-凝胶相变的过程不可逆，FT-SCLs的颜色变化仅随冻融次数逐步推进，即使重新冷冻或室温放置也无法复原，确保数据真实可靠、不可篡改。
图3 FT-SCLs的冻融监测原理。（A-E）FT-SCLs随冻融循环的结晶度变化及溶胶-凝胶转变。（F）FT-SCLs随冻融循环的结构变化。
进一步，该研究评估了FT-SCLs在模拟真实场景下的应用表现（图4）。在疫苗质控方面，将含10% PA的FT-SCLs标签贴于疫苗瓶，两次冻融后，标签颜色从红变绿，反射峰偏移36 nm，可直观警示疫苗失效风险。在血液保存方面，贴在模拟血袋外包装的FT-SCLs标签，颜色随冻融次数增加，发生由红到黄最后到绿的逐步变化，结合比色卡，医护人员可据此快速判断血液制品的可用性。在酶活性追踪方面，同步监测辣根过氧化物酶（HRP）活性发现，FT-SCLs标签颜色变化与酶活性损失（12%~27%）高度相关，有望替代复杂酶活性检测试剂盒。并且，FT-SCLs扣除生产环节因素后，成本低至约0.2元，相较现有商品化标签有着显著优势。
图4 FT-SCLs的应用验证。（A-B）疫苗冻融监测。（C-E）血液制品冻融监测。（F-G）生物酶冻融监测。（H-I）FT-SCLs与现有产品的对比。
这种低成本、高可靠性的可视化冻融监测方案，不仅为生物医药领域冷链物流保驾护航，更将推动细胞冻存、食品工业等多个领域的智能化升级。或许在不久的将来，每一支疫苗、每一株抗体都会自带“颜色警报”，让安全与信任触手可及。
中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心杜学敏研究员为该论文的通讯作者，赵启龙副研究员为第一作者，黄超博士为该论文共同作者。该论文获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、广东省重点、深圳市杰青和深圳市医学研究基金等科技项目支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202500381
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