冷凍保存是基于某些小分子進(jìn)入細(xì)胞并防止脫水和形成細(xì)胞內(nèi)冰晶的能力，在冷凍過程中會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡和細(xì)胞器破壞。兩種常見的冷凍保護(hù)劑是二甲基亞砜(DMSO) 和甘油。甘油主要用于紅細(xì)胞的冷凍保護(hù)，DMSO 用于保護(hù)大多數(shù)其他細(xì)胞和組織。一種叫糖海藻糖存在于能夠在極度脫水下存活的生物體中，用于冷凍干燥的冷凍保存方法。海藻糖穩(wěn)定細(xì)胞膜，特別適用于保存、干細(xì)胞和血細(xì)胞。

大多數(shù)細(xì)胞冷凍保存系統(tǒng)使用控速冷凍機(jī)。該冷凍系統(tǒng)將液氮輸送到放置細(xì)胞懸液的封閉室中。仔細(xì)監(jiān)測冷凍速度有助于防止細(xì)胞快速脫水和冰晶形成。通常，將細(xì)胞從室溫帶到約 -90 °C (-130 °F) 的可控速率冰箱中。然后將冷凍的細(xì)胞懸浮液轉(zhuǎn)移到液氮冷凍機(jī)中，該冷凍機(jī)保持在極冷的溫度下，氮?dú)馓幱跉庀嗷蛞合唷；�于冷凍干燥的冷凍保存不需要使用液氮冷凍機(jī)。
 

冷凍保存的一個(gè)重要應(yīng)用是冷凍和儲(chǔ)存造血干細(xì)胞，存在于骨髓和外周血中。在自體骨髓搶救，造血干細(xì)胞是在高劑量化療治療之前從患者的骨髓中收集的。治療后，患者的冷凍保存細(xì)胞被解凍并回輸回體內(nèi)。這個(gè)過程是必要的，因?yàn)榇髣┝炕�療�?duì)骨髓有極大的毒性。冷凍保存造血干細(xì)胞的能力大大提高了某些淋巴瘤和實(shí)體瘤惡性腫瘤的治療效果。在白血病患者的情況下，他們的血細(xì)胞是癌性的，不能用于自體骨髓搶救。因此，這些患者依賴于從新生兒的臍帶或從捐贈(zèng)者獲得的冷凍保存的造血干細(xì)胞上。自 1990 年代后期以來，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到造血干細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞（來源于胚胎結(jié)締組織）能夠分化為骨骼和心肌組織、神經(jīng)組織和骨骼。今天，人們對(duì)這些細(xì)胞在組織培養(yǎng)系統(tǒng)中的生長以及將這些細(xì)胞冷凍保存以用于未來治療各種疾病（包括神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)疾病以及肝臟和心臟疾病）的興趣濃厚.

高劑量的化學(xué)療法或放射線不僅會(huì)破壞癌細(xì)胞，還會(huì)破壞富含造血干細(xì)胞的骨髓。為了替換受損的骨髓，在治療前從癌癥患者的血液或骨髓中采集干細(xì)胞；細(xì)胞也可以取自遺傳相容的供體。為了從樣品中去除不需要的細(xì)胞，例如腫瘤細(xì)胞，將其與僅與干細(xì)胞結(jié)合的抗體一起孵育。包含選定細(xì)胞的液體體積減少并冷凍直至需要。然后將液體解凍、稀釋并重新注入患者體內(nèi)。一旦進(jìn)入血液，干細(xì)胞就會(huì)進(jìn)入骨髓，在那里它們植入自己并開始產(chǎn)生健康細(xì)胞。

冷凍保存也用于冷凍和儲(chǔ)存人類胚胎。在冷凍胚胎移植的過程中，胚胎被解凍并移植。冷凍胚胎移植與從此類胚胎出生的兒童中兒童患癌癥風(fēng)險(xiǎn)的小幅但顯著增加有關(guān)。
 

深低溫，一種用于人類患者的溫和冷凍保存形式，具有重要的應(yīng)用。深度低溫誘導(dǎo)的常見用途是復(fù)雜的心血管外科手術(shù)。在使用心肺機(jī)對(duì)患者進(jìn)行完全體外循環(huán)后，血液會(huì)通過冷卻室。患者的受控冷卻可能會(huì)達(dá)到約 10–14 °C (50–57 °F) 的極低溫度。這種冷卻量有效地阻止了所有大腦活動(dòng)并為所有重要器官提供保護(hù)。當(dāng)達(dá)到這種冷卻時(shí)，心肺機(jī)可以停止，外科醫(yī)生可以在循環(huán)停止期間糾正非常復(fù)雜的主動(dòng)脈和心臟缺陷。在此期間，患者體內(nèi)沒有血液循環(huán)。手術(shù)完成后，血液在用于冷卻的同一熱交換器中逐漸升溫。逐漸升溫至正常體溫會(huì)導(dǎo)致大腦和器官功能恢復(fù)正常。然而，這種深度低溫與冷凍和長期低溫保存相去甚遠(yuǎn)。

如果適當(dāng)冷凍，細(xì)胞可以存活十多年。此外，某些組織，如甲狀旁腺、靜脈、心臟瓣膜和主動(dòng)脈組織，可以成功冷凍保存。冷凍還用于儲(chǔ)存和維持早期人類胚胎的長期活力。用于這些組織的冷凍程序已經(jīng)確立，并且在存在冷凍保護(hù)劑的情況下，組織可以在 -14 °C (6.8 °F) 的溫度下長期儲(chǔ)存。

研究表明，在沒有冷凍保護(hù)劑的情況下冷凍的整個(gè)動(dòng)物在解凍后可以產(chǎn)生含有完整 DNA 的活細(xì)胞。例如，在 -20 °C (-4 °F) 下儲(chǔ)存超過 15 年的整個(gè)小鼠的腦細(xì)胞核已被用于生成胚胎干細(xì)胞。這些細(xì)胞隨后用于產(chǎn)生小鼠克隆。