冷凍保存是通過冷卻至極低溫度（通常為-80_°C使用固態二氧化碳或-196°C使用液氮）。在足夠低的溫度下，任何酶或可能對所討論的生物材料造成損害的化學活動被有效地阻止。冷凍保存方法力求達到低溫，而不會因冷凍過程中冰晶的形成而造成額外的損害。傳統的冷凍保存依賴于用一類稱為冷凍保護劑的分子對要冷凍的材料進行涂層。由于許多冷凍保護劑的固有毒性，正在研究新方法。動物遺傳資源的冷凍保存是為了保存品種。

水熊蟲（Tardigrada）是一種微觀的多細胞生物，可以通過用糖海藻糖代替大部分內部水而在冰凍中存活，從而防止其結晶，否則會損壞細胞膜.溶質的混合物可以達到類似的效果。包括鹽在內的一些溶質的缺點是它們在高濃度時可能有毒。除了水熊，林蛙還能忍受血液和其他組織的凍結。尿素在組織中積累以準備越冬，肝糖原大量轉化為葡萄糖以響應內部冰的形成。尿素和葡萄糖都充當“冷凍保護劑”，以限制形成的冰量并減少細胞的滲透收縮。如果不超過65%的全身水結冰，青蛙可以在冬季的許多凍融事件中幸存下來。探索“凍蛙”現象的研究主要由加拿大研究員KennethB..

冷凍耐受性，其中生物通過冷凍固體和停止生命功能來度過冬天，在一些脊椎動物中是已知的：五種青蛙（Ranasylvatica，Pseudacristriseriata，Hylacrucifer，Hylaversicolor，Hylachrysoscelis），一種蠑螈（Salamandrellakeyserlingii），蛇之一（Thamnophissirtalis）和三只烏龜（Chrysemyspicta，Terrapenecarolina，Terrapeneornata）。鱷龜Chelydraserpentina和壁蜥PodarcisMuralis也能在名義上的冰凍中存活，但尚未確定它可以適應越冬。在林蛙的情況下，一種冷凍保存劑是普通的葡萄糖，當青蛙慢慢冷卻時，其濃度會增加約19mmol/l。

一位早期的冷凍保存理論家是詹姆斯洛夫洛克。1953年，他提出在冷凍過程中對紅細胞的損害是由于滲透應力，并且增加脫水細胞中的鹽濃度可能會損害它。在1950年代中期，他對嚙齒動物進行冷凍保存實驗，確定倉鼠可以在大腦中60%的水結晶成冰而沒有不良影響的情況下冷凍；其他器官被證明容易受到損害。

冷凍保存從1954年開始應用于人體材料，其中3次懷孕是由先前冷凍的精子授精引起的。1957年，克里斯托弗·波爾格(ChristopherPolge)領導的英國科學家團隊對家禽精子進行了冷凍保存。1963年，PeterMazur，橡樹嶺國家實驗室在美國，證明了如果冷卻速度足夠慢以允許足夠的水在細胞外液逐漸冷凍期間離開細胞，則可以避免致命的細胞內冷凍。該速率在不同大小和水滲透性的細胞之間有所不同：對于許多哺乳動物細胞，在用甘油或二甲基亞砜等冷凍保護劑處理后，典型的冷卻速率約為1°C/分鐘是合適的，但該速率并不是普遍的最佳值。

冷凍保存過程中對細胞造成損傷的現象主要發生在冷凍階段，包括溶液效應、細胞外冰形成、脫水和細胞內冰形成。冷凍保護劑可以減少許多這些影響。一旦保存的材料被凍結，它就相對安全，不會受到進一步的損壞。

解決方案效果當冰晶在冰凍的水中生長時，溶質被排除在外，導致它們濃縮在剩余的液態水中。某些溶質的高濃度可能非常有害。細胞外冰的形成當組織緩慢冷卻時，水會從細胞中遷移出來，并在細胞外空間形成冰。過多的細胞外冰會因破碎而對細胞膜造成機械損傷。脫水水的遷移導致細胞外冰的形成，也可能導致細胞脫水。電池上的相關應力會直接造成損壞。細胞內冰形成雖然一些生物體和組織可以耐受一些細胞外冰，但任何明顯的細胞內冰幾乎總是對細胞致命。

防止冷凍保存損壞的主要技術是控制速率和緩慢冷凍的成熟組合以及稱為玻璃化的更新的閃速冷凍過程。

可控速率和慢速冷凍，也稱為慢速可編程冷凍(SPF)，是一種在幾個小時內將細胞冷卻到-196°C左右的技術。

慢速可編程冷凍是在1970年代初開發的，并最終在1984年促成了xxx個人類冷凍胚胎的誕生。從那時起，使用可編程序列或受控速率冷凍生物樣本的機器已被用于人類、動物和細胞生物學–在將樣品冷凍或冷凍保存在液氮中之前，“冷凍”樣品以更好地保存它以供最終解凍。這種機器用于世界各地醫院、獸醫診所和研究實驗室的卵母細胞、皮膚、血液制品、胚胎、精子、干細胞和一般組織保存。例如，“慢速冷凍”冷凍胚胎的活產數量估計約為300,000至400，)出生。

如果在細胞外液逐漸冷凍過程中冷卻速度足夠慢以允許足夠的水離開細胞，則可以避免致命的細胞內冷凍。為了xxx限度地減少細胞外冰晶的生長和重結晶，生物材料（如藻酸鹽、聚乙烯醇或殼聚糖）可與傳統的小分子冷凍保護劑一起用于阻止冰晶的生長。不同大小和透水性的細胞之間的冷卻速率不同：對于許多哺乳動物細胞，在用甘油等冷凍保護劑處理后，典型的冷卻速率約為1°C/分鐘是合適的或二甲基亞砜，但速率不是一個普遍的最佳值。1°C/分鐘的速率可以通過使用諸如速率控制的冷凍機或臺式便攜式冷凍容器等設備來實現。

幾項獨立研究提供的證據表明，使用慢速冷凍技術儲存的冷凍胚胎在某些方面可能比體外受精中的新鮮胚胎“更好”。研究表明，使用冷凍胚胎和卵子而不是新鮮胚胎和卵子可以降低死產和早產的風險，但具體原因仍在探索中。

研究人員GregFahy和WilliamF.Rall在1980年代中期幫助將玻璃化技術引入生殖冷凍保存。截至2000年，研究人員聲稱玻璃化冷凍提供了冷凍保存的好處，而不會因冰晶形成而造成損壞。隨著組織工程的發展，情況變得更加復雜，因為細胞和生物材料都需要保持無冰狀態，以保持高細胞活力和功能、結構的完整性和生物材料的結構。組織工程結構的玻璃化首先由LiliaKuleshova報道，她也是xxx位實現卵母細胞玻璃化的科學家，并于1999年實現了活產。對于臨床冷凍保存，玻璃化通常需要在冷卻前添加冷凍保護劑。冷凍保護劑是添加到冷凍培養基中的大分子，用于在冷凍和解凍過程中保護細胞免受細胞內冰晶形成的不利影響或溶液的影響。它們在冷凍期間允許更高程度的細胞存活，以降低冰點，以保護細胞膜免受與冷凍相關的傷害。冷凍保護劑具有高溶解度、高濃度低毒性、低分子量以及通過氫鍵與水相互作用的能力。

糖漿溶液沒有結晶，而是變成了無定形的冰——它玻璃化了。非晶態不是通過結晶從液體到固體的相變，而是像“固體液體”，并且轉變是在被描述為“玻璃化轉變”溫度的小溫度范圍內。

水的玻璃化通過快速冷卻來促進，并且可以通過極快的溫度下降（每秒兆開爾文）在不使用冷凍保護劑的情況下實現。直到2005年，在純水中達到玻璃態所需的速率被認為是不可能的。

允許玻璃化通常需要兩個條件是粘度增加和冷凍溫度降低。許多溶質兩者兼而有之，但較大的分子通常具有較大的影響，特別是在粘度方面。快速冷卻也促進玻璃化。

對于已建立的冷凍保存方法，溶質必須穿透細胞膜以增加粘度并降低細胞內的冷凍溫度。糖不易透過膜。那些有這種作用的溶質，例如二甲基亞砜，一種常見的冷凍保護劑，在高濃度時通常是有毒的。玻璃化冷凍保存的困難妥協之一涉及限制冷凍保護劑本身由于冷凍保護劑毒性而產生的損害。冷凍保護劑的混合物和冰阻滯劑的使用使二十一世紀醫藥公司能夠玻璃化兔子腎臟使用其專有的玻璃化混合物至-135°C。復溫后，腎臟成功移植到兔子體內，具有完整的功能和活力，能夠無限期地維持兔子作為xxx功能正常的腎臟。2000年，FM-2030成為xxx個在死后被成功玻璃化的人。

通常，對于薄樣品和懸浮細胞，冷凍保存更容易，因為它們可以更快地冷卻，因此需要較少劑量的有毒冷凍保護劑。因此，冷凍保存人類肝臟和心臟以進行儲存和移植仍然不切實際。

然而，冷凍保護劑的適當組合以及升溫期間的冷卻和沖洗方案通常可以成功地冷凍保存生物材料，特別是細胞懸浮液或薄組織樣品。示例包括：

• 精液冷凍保存中的精液
• 血
  • 用于輸血的特殊細胞，如血小板（Cellphire的Thrombosomes）
  • 干細胞。它最適合于高濃度合成血清、逐步平衡和緩慢冷卻。
  • 臍帶血庫中的臍帶血
• 組織樣本，如腫瘤和組織學橫截面
• 卵母細胞冷凍保存中的卵子（卵母細胞）
• 處于卵裂期的胚胎（即2、4、8或16個細胞）或處于早期囊胚期的胚胎，處于胚胎冷凍保存中
• 卵巢組織冷凍保存中的卵巢組織
• 出于保護目的，將植物種子或芽尖或休眠芽冷凍保存。

胚胎冷凍保存用于胚胎儲存，例如，當體外受精(IVF)產生的胚胎多于當前所需時。

據報道，在三年前同一批次的胚胎成功懷孕后，一個儲存了27年的胚胎懷孕并由此健康分娩。許多研究評估了從冷凍胚胎或“霜凍”中出生的孩子。結果一致呈陽性，出生缺陷或發育異常沒有增加。一項對11,000多個冷凍保存的人類胚胎的研究表明，儲存時間對體外受精或卵母細胞捐贈周期的解凍后存活率或在原核或卵裂階段冷凍的胚胎沒有顯著影響。此外，儲存時間對臨床妊娠、流產、植入或活產率沒有任何顯著影響，無論是體外受精還是卵母細胞捐贈周期。相反，卵母細胞的年齡、存活率和移植胚胎的數量是妊娠結果的預測因素。

卵巢組織的冷凍保存對于想要將其生殖功能保持在自然極限之外，或者其生殖潛力受到癌癥治療威脅的女性感興趣，例如在血液系統惡性腫瘤或乳腺癌中。該程序是取一部分卵巢并進行緩慢冷凍，然后在進行治療時將其儲存在液氮中。然后組織可以在輸卵管附近解凍并植入，無論是原位（在自然位置）還是異位（在腹壁上），在那里它開始產生新的卵子，從而發生正常的受孕。卵巢組織也可以移植到免疫功能低下的小鼠（SCID小鼠)以避免移植排斥，并且可以在成熟卵泡發育后收獲組織。

人類卵母細胞冷凍保存是一項新技術，其中提取、冷凍和儲存女性的卵子（卵母細胞）。之后，當她準備好懷孕時，可以將卵子解凍、受精并作為胚胎移植到子宮中。自1999年以來，當Kuleshova及其同事在《人類生殖》雜志上報道了xxx個來自玻璃化加熱的女性卵子的胚胎誕生的嬰兒時，這一概念已得到認可和廣泛傳播。實現女性卵母細胞玻璃化的這一突破在我們對IVF過程的知識和實踐方面取得了重要進展，因為卵母細胞玻璃化后的臨床妊娠率是緩慢冷凍后的四倍。卵母細胞玻璃化冷凍對于年輕腫瘤患者和接受體外受精但出于宗教或倫理原因反對冷凍胚胎實踐的個體來說至關重要。