通过抑制细胞内冰晶形成、减少渗透压损伤，维持细胞膜和生物大分子（核酸、蛋白质）的结构完整性，让细胞进入低代谢休眠状态，解冻后可恢复活性。

一、核心保护机制：规避冰晶损伤

1. 抑制胞内冰晶形成

冰晶是冷冻损伤的主要原因，会刺破细胞膜、破坏细胞器结构。

低温下（尤其是缓慢冷冻时），细胞外溶液先结冰，胞内水分逐渐渗出，若加入冷冻保护剂（如甘油、二甲亚砜 DMSO），可降低胞内溶液冰点，减少冰晶核形成。

快速冷冻（如液氮 - 196℃）能让胞内水分形成微小冰晶（玻璃化状态），避免大冰晶对细胞的机械损伤。

2. 平衡渗透压，减少脱水损伤

冷冻时细胞外溶质浓度升高，会引发胞内水分外流导致细胞脱水、皱缩。

冷冻保护剂（如蔗糖、海藻糖）可穿透细胞膜（或在胞外形成渗透压缓冲层），平衡胞内外渗透压，减少水分过度流失，保护细胞膜的磷脂双分子层结构不被破坏。

二、关键辅助：维持生物大分子稳定性

冷冻保护剂能与蛋白质、核酸结合，避免其因低温发生变性、聚集（如甘油可形成氢键，保护蛋白质的空间构象）。

低温本身会显著降低细胞代谢速率（酶活性抑制、呼吸作用停止），减少能量消耗和代谢产物积累，降低细胞自身的损伤风险。

三、不同冷冻方式的原理差异

缓慢冷冻（0℃→-80℃梯度降温）：让胞内水分逐步渗出，减少胞内冰晶量，适配多数细菌、真菌。

快速冷冻（直接投入液氮）：促使胞内水分快速玻璃化，避免冰晶生长，适用于对冰晶敏感的支原体、动物细胞。

冻干保藏（冷冻干燥）：先冷冻再真空脱水，去除细胞内自由水，从根本上抑制冰晶形成和微生物代谢，可长期保存。