活”的液晶：生命与机械的结合

2014.03.07来源： 中国科学报     作者： 记者 胡珉琦

电子显微镜下的液晶分子形态 图片来源：谷歌图片

　　液晶（liquid crystal），因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。如今，最被普通人熟知的就是液晶屏，它拒绝几何失真，带来精细的画质，功耗又很低，因此受人青睐。不过，液晶还可以作为一种特殊的材料，用于生物分析，用于检测疾病或治疗，这一点人们知道的并不多。

　　近日，美国俄亥俄州肯特州立大学和伊利诺伊州阿尔贡国家实验室合作，将活细菌和无生命的溶致液晶结合在一起，开发出了一种新兴的柔性工程复合材料——活液晶，未来最直接的应用可能是新型生物传感器。该研究成果发表在美国《国家科学院院刊》（PNAS） 上。

　　无毒害环境保证细菌生存

　　把活的生物体与机械材料混合在一起，这是一种奇妙的组合。该论文第一作者、肯特州立大学液晶研究所博士生周爽在邮件中向《中国科学报》记者解释了研究团队提出这种构想的初衷。

　　众所周知，人们最熟悉的物质状态（又称相）就是气态、液态、固态，但液晶的发现，打破了人们关于物质三态的常规概念。液晶态是一种中间态，作为一种凝聚态物质，液晶的特性与结构介于固态晶体与各向同性液体之间。因此，它既具有液体的流动性、黏滞性，又具有晶体的各向异性（液晶分子倾向于集体指向某一方向，由此导致液晶在不同方向的物理化学特性也不同 ），能像晶体一样产生双折射，也能在外场作用下，产生热光、电光或磁光效应。

　　液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。热致液晶（Thermotropic liquid crystal，TLC）是指由单一化合物或由少数化合物的均匀混合物形成的液晶，它只能在一定温度范围内出现。而溶致液晶（Lyotropic liquid crystal，LLC）是由符合一定结构要求的化合物与溶剂组成的液晶体系，由两种或两种以上的化合物组成。最常见的溶致液晶是由水和双亲性分子组成。只有当溶液中溶质分子浓度处于一定范围内，才出现液晶相。

　　周爽表示，科研界在过去几十年中对液晶的应用研究大部分集中在热致液晶上，它们构成了显示器和其他光开关类产品的核心部分。不过近年来，溶致液晶中的一大类——lyotropic chromonic liquid crystal（LCLC）越来越受到研究者们的关注。

　　有意思的是，在此前的研究中，他们发现，和传统双亲分子形成的溶致液晶相比，由于双亲分子的碳链是亲油基团，极易与构成细胞壁的磷酸酯双分子层作用，从而破坏细胞的机构，因此，这类溶致液晶可以被认为具有一定的毒性。而LCLC分子结构上不带有碳链，所以对大多数生物体无毒无害。目前90%的经过FDA认证的食品染料，比如落日黄、柠檬黄、诱惑红等都能形成LCLC相。周爽认为，这就给研究团队提供了一个机会，可以观察生物体在这种溶致液晶环境下的行为。

　　“活”材料的潜在应用

　　小尺度下在液体环境下运动的物体被称作为微泳体，微生物基本都是微泳体，比如细菌、水藻、精子等。“水环境是最简单的物理环境，因为它具有各向同性，或者说是均质性，所以大多数之前的研究是针对这个环境。但液晶本身可以提供各向异性环境，因此，活液晶提供了一个独特的了解微泳体的平台。”周爽介绍道。

　　“此外，‘活’意味着有能量的流动：细菌不停地在把化学能转化成动能，所以活液晶这个系统是一个非平衡态系统。平衡态液晶的稳态是液晶分子均匀排布的状态,对应弹性势能最低的基态。活液晶的稳态不是均匀状态，而是一种持续变化的混乱状态。”周爽表示，相比于平衡态系统，人们对于非平衡态系统的了解和利用还很少，很多应用前景还有待开发。

　　尽管他在采访中强调，目前这项研究更接近于基础理论而非实际应用，但谈到这种新材料在未来的潜在应用，制造新型生物传感器可能被寄予厚望。

　　研究人员发现，通过液晶特殊的光学特性——双折射性，只需一台简单的偏振显微镜，就能清晰看到24纳米粗细的细菌鞭毛的旋转运动引起的液体扰动。活液晶能放大纳米水平的微小反应，而这恰恰也是分子和病毒相互作用的尺度范围，任何可以引起细菌活动变化的外在影响，都可以通过简单的图像处理加以定量分析。通过这种视觉放大器的作用制造传感设备，可以帮助临床医生早期诊断，并且监测疾病的生物生理发展过程。

　　此外，微流技术是当下集合了微电子、微机械、生物工程和纳米技术等的热门的“会聚技术”。简单说，就是用半导体集成技术制作新型固体元件或“芯片实验室”，它可对微量流体，包括液体和气体，进行复杂、精确的操作，比如混合和分离微量流体、化学反应、微量分析等等。传统的微流技术一般通过光刻机技术形成三维沟道，通过压力梯度来驱动流体运动。但周爽表示，在活液晶中控制细菌的运动则不需要这些条件，只需要简单控制液晶的取向，有多种灵活的方法，比如表面摩擦、外加电磁场、局部融化等。从这个角度看，活液晶在生物医学领域的微流体技术中也能大有作为。

　　液晶与生命的不解之缘

　　液晶分子作为一种良好的敏感材料，用于生物传感器的研究早已有之。湖南大学化学化工学院、化学生物传感与计量学国家重点试验室教授吴朝阳告诉《中国科学报》记者，液晶生物传感器是基于液晶对外界刺激物（如电场或磁场）的快速反应。而且，由于各向异性，有序排列的液晶会被引入的抗体分子或细胞打乱。而这种排列上的变化可通过光学信号传达，初始状态的任何变化与引入物的性质和浓度有关，这正是液晶可用于生物传感器的原理。

　　他表示，目前国内液晶生物传感器研究用的主要是热致液晶，可用于免疫分析、蛋白质分析、核酸分析等等。国外科研界也有发现新的溶致型液晶，可扩展液晶生物传感技术的应用领域，用于药物传递检测或者检测微生物，甚至有可能实现液晶生物传感技术的在线实时监测。

　　不过，吴朝阳也坦言，液晶生物传感器用于生物分析事实上还处在研究的初级阶段，与传统的生物传感技术相比，研究人员对于它的性能并没有完全掌握。

　　如果说，液晶生物传感技术显得相对冷门，液晶与生命现象之间的关系，则是液晶领域非常重要的研究方向。

　　中科院学术期刊《液晶与显示》编委、陕西师范大学物理学与信息技术学院教授孙润广向《中国科学报》记者介绍，液晶态普遍存在于生物体内，人的细胞膜、表皮、肌肉、神经、视网膜、蛋白质、脂类、核酸、碳水化合物等等, 都是由生物大分子在水溶液中有序排列而成的，它们本质上都属于溶致液晶。正是由于生物体内存在的液晶态与生物体的生长发育、肌体的新陈代谢、细胞的能量转换、信息传递、物质传输等都密切相关，液晶态生物材料的开发才越来越受到关注。

　　据了解，溶致液晶在药物生产中可用作囊壁材料将药剂封成胶囊，避免在消化过程中受到酶的破坏，而将药物控制传输到生物体的特定部位后，液晶外壳溶解从而释放出药物, 最终达到靶向给药的目的。

　　生物材料由于在使用过程中会与血液发生接触，容易出现凝血现象，在临床应用上受到限制。而如果材料具有与生物膜相似的液晶态， 利用液晶的特性及其与生物体之间的联系， 让材料的分子有序性与其接触的血管内皮及血细胞的有序性基本一致，就可以降低材料表面与血液之间的界面张力， 改善材料的血液相容性。因此，模仿生物体的结构、功能开发血液相容性的液晶生物材料也很受瞩目。

　　此外，诸如糖类液晶态材料、蛋白质液晶态材料，因为具有良好生物相容性、生物降解性以及良好的组织诱导性能，还可作为人们需要的新型仿生组织工程支架材料，同时也为人工模拟组织器官提供基础。