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冷冻保存单细胞和多细胞系统的基本步骤，包括冷冻保护剂（可以是渗透性或非渗透性的化合物）的应用；冷冻保护剂加入后，应使之与细胞内外环境达到平衡状态。一旦出现这种平衡状态，就要求采用缓慢或快速方法冷却到种植温度。种植或冰晶形成以后，再缓慢冷却到所需要的零下温度。经过一段时期融解后的贮存将导致冷冻保护剂从细胞到培养液的逆向稀释，从而使细胞或细胞系统恢复到正常生理环境。
经过几十年的研究，发现细胞冷冻和融解的最困难阶段是经过种植过程的初始冷却相以及后来恢复到正常生理环境的时期。多数的多细胞系统和单细胞均宜贮存在 - 196℃ 的液氮中，如此低温贮存能保持细胞活力并可长期保存。实际上细胞冷却过程以及与冷冻保护剂之间的相互作用基本上是一个冷冻干燥过程。如果应用渗透性冷冻保护剂，则可渗透细胞膜从而置换细胞内的水分。在冷却过程中细胞脱水达到冰晶形成的温度时，细胞外环境随着细胞全部脱水而结晶化，而细胞内未形成冰晶，因此可保护细胞内基质。
冷冻保护液分成渗透性和非渗透性两大类。最常用的渗透液是甘油、二甲亚砜（DMSO）和丙二醇。已用于临床的非渗透性冷冻保存剂以单糖、双糖较常用，如葡萄糖和蔗糖。
通过应用动物的卵子和精子及其早、晚期的胚胎所开展的试验，获得了冷冻保存的基本知识，在此基础上已发展了应用于人体细胞系统的方法学。人类胚胎通常用渗透性冷冻保护液进行冷冻保存，在某些情况下则渗透性和非渗透性合并应用。由于未受精人卵的冷冻和融解还处于进一步试验阶段，故其冷冻贮存和融解的方法学尚待完善。
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