Frosset biomateriale

Når vand fryser til is, så vil vandmolekylerne ordne sig i en regelmæssig krystalstruktur. Dette gør andre væsker også, når de fryser til fast stof, men i vands tilfælde vil iskrystallen fylde mere end væskeformen! Dette er meget atypisk for væsker. Faktisk fylder is omkring 10 procent mere end flydende vand. Dermed er massefylden også mindre, hvilket forklar, hvorfor isterninger (og isbjerge) flyder.

Da vandis fylder mere end væskefasen, er det meget vanskeligt at fryse biologisk materiale. Udvidelsen vil nemlig få cellevæggene til at sprænges. Dette gælder specielt planteceller, der er omgivet af en stiv cellulosevæg. Animalske produkter tåler frysning bedre, fordi dyreceller ikke har en cellulosevæg, men de påvirkes dog stadig betydeligt af nedfrysningen.

For at nedfryse biologisk materiale er det nødvendigt at fjerne en stor del af den mængde vand, som findes i cellerne og vævet. Dette gøres ved at erstatte vandet med såkaldte kryoprotektanter. Dette er som regel vandopløselige organiske væsker som propandiol, dimethylsulfoxid (DMSO), ethylenglycol eller glycerol. Disse væsker nedsætter krystaldannelsen i cellerne, men ved længere tids påvirkning af celler ved stuetemperatur kan de samtidigt medføre skader, der reducerer overlevelsen af cellerne. Derfor er det vigtigt, at biologisk materiale nedfryses hurtigt efter indtrængningen af kryoprotektant. Nedfrysningen foretages desuden efter en tidsafhængig proces, hvor man afkøler materialet langsomt i de temperaturintervaller, hvor risikoen for fryseskader er størst.

I praksis anvender man nedfrysning af biologisk materiale med efterfølgende opbevaring i flydende kvælstof til at forlænge materialets levetid, nogen gang med op til flere år. Kryoopbevaring anvendes for eksempel til blodplasma samt menneske- og dyresæd. I fødevareindustrien anvender man desuden flydende kvælstof til hurtigt at sænke temperaturen på frostvarer, så disse ikke bakterieangribes.