“活”液晶：生命與機械的結(jié)合
來源：中國科學(xué)報 發(fā)布時間：2014-03-07
電子顯微鏡下的液晶分子形態(tài) 圖片來源：谷歌圖片
中國科學(xué)報記者胡珉琦
液晶（liquid crystal），因為其特殊的物理、化學(xué)、光學(xué)特性，20世紀中葉開始被廣泛應(yīng)用在輕薄型的顯示技術(shù)上。如今，最被普通人熟知的就是液晶屏，它拒絕幾何失真，帶來精細的畫質(zhì)，功耗又很低，因此受人青睞。不過，液晶還可以作為一種特殊的材料，用于生物分析，用于檢測疾病或治療，這一點人們知道的并不多。
近日，美國俄亥俄州肯特州立大學(xué)和伊利諾伊州阿爾貢國家實驗室合作，將活細菌和無生命的溶致液晶結(jié)合在一起，開發(fā)出了一種新興的柔性工程復(fù)合材料——活液晶，未來最直接的應(yīng)用可能是新型生物傳感器。該研究成果發(fā)表在美國《國家科學(xué)院院刊》（PNAS） 上。
無毒害環(huán)境保證細菌生存
把活的生物體與機械材料混合在一起，這是一種奇妙的組合。該論文第一作者、肯特州立大學(xué)液晶研究所博士生周爽在郵件中向《中國科學(xué)報》記者解釋了研究團隊提出這種構(gòu)想的初衷。
眾所周知，人們最熟悉的物質(zhì)狀態(tài)（又稱相）就是氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，但液晶的發(fā)現(xiàn)，打破了人們關(guān)于物質(zhì)三態(tài)的常規(guī)概念。液晶態(tài)是一種中間態(tài)，作為一種凝聚態(tài)物質(zhì)，液晶的特性與結(jié)構(gòu)介于固態(tài)晶體與各向同性液體之間。因此，它既具有液體的流動性、黏滯性，又具有晶體的各向異性（液晶分子傾向于集體指向某一方向，由此導(dǎo)致液晶在不同方向的物理化學(xué)特性也不同 ），能像晶體一樣產(chǎn)生雙折射，也能在外場作用下，產(chǎn)生熱光、電光或磁光效應(yīng)。
液晶可以分為熱致液晶和溶致液晶兩大類。熱致液晶（Thermotropic liquid crystal，TLC）是指由單一化合物或由少數(shù)化合物的均勻混合物形成的液晶，它只能在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)。而溶致液晶（Lyotropic liquid crystal，LLC）是由符合一定結(jié)構(gòu)要求的化合物與溶劑組成的液晶體系，由兩種或兩種以上的化合物組成。最常見的溶致液晶是由水和雙親性分子組成。只有當(dāng)溶液中溶質(zhì)分子濃度處于一定范圍內(nèi)，才出現(xiàn)液晶相。
周爽表示，科研界在過去幾十年中對液晶的應(yīng)用研究大部分集中在熱致液晶上，它們構(gòu)成了顯示器和其他光開關(guān)類產(chǎn)品的核心部分。不過近年來，溶致液晶中的一大類——lyotropic chromonic liquid crystal（LCLC）越來越受到研究者們的關(guān)注。
有意思的是，在此前的研究中，他們發(fā)現(xiàn)，和傳統(tǒng)雙親分子形成的溶致液晶相比，由于雙親分子的碳鏈是親油基團，極易與構(gòu)成細胞壁的磷酸酯雙分子層作用，從而破壞細胞的機構(gòu)，因此，這類溶致液晶可以被認為具有一定的毒性。而LCLC分子結(jié)構(gòu)上不帶有碳鏈，所以對大多數(shù)生物體無毒無害。目前90%的經(jīng)過FDA認證的食品染料，比如落日黃、檸檬黃、誘惑紅等都能形成LCLC相。周爽認為，這就給研究團隊提供了一個機會，可以觀察生物體在這種溶致液晶環(huán)境下的行為。
“活”材料的潛在應(yīng)用
小尺度下在液體環(huán)境下運動的物體被稱作為微泳體，微生物基本都是微泳體，比如細菌、水藻、精子等。“水環(huán)境是最簡單的物理環(huán)境，因為它具有各向同性，或者說是均質(zhì)性，所以大多數(shù)之前的研究是針對這個環(huán)境。但液晶本身可以提供各向異性環(huán)境，因此，活液晶提供了一個獨特的了解微泳體的平臺。”周爽介紹道。
“此外，‘活’意味著有能量的流動：細菌不停地在把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成動能，所以活液晶這個系統(tǒng)是一個非平衡態(tài)系統(tǒng)。平衡態(tài)液晶的穩(wěn)態(tài)是液晶分子均勻排布的狀態(tài),對應(yīng)彈性勢能最低的基態(tài)。活液晶的穩(wěn)態(tài)不是均勻狀態(tài)，而是一種持續(xù)變化的混亂狀態(tài)。”周爽表示，相比于平衡態(tài)系統(tǒng)，人們對于非平衡態(tài)系統(tǒng)的了解和利用還很少，很多應(yīng)用前景還有待開發(fā)。
盡管他在采訪中強調(diào)，目前這項研究更接近于基礎(chǔ)理論而非實際應(yīng)用，但談到這種新材料在未來的潛在應(yīng)用，制造新型生物傳感器可能被寄予厚望。
研究人員發(fā)現(xiàn)，通過液晶特殊的光學(xué)特性——雙折射性，只需一臺簡單的偏振顯微鏡，就能清晰看到24納米粗細的細菌鞭毛的旋轉(zhuǎn)運動引起的液體擾動。活液晶能放大納米水平的微小反應(yīng)，而這恰恰也是分子和病毒相互作用的尺度范圍，任何可以引起細菌活動變化的外在影響，都可以通過簡單的圖像處理加以定量分析。通過這種視覺放大器的作用制造傳感設(shè)備，可以幫助臨床醫(yī)生早期診斷，并且監(jiān)測疾病的生物生理發(fā)展過程。
此外，微流技術(shù)是當(dāng)下集合了微電子、微機械、生物工程和納米技術(shù)等的熱門的“會聚技術(shù)”。簡單說，就是用半導(dǎo)體集成技術(shù)制作新型固體元件或“芯片實驗室”，它可對微量流體，包括液體和氣體，進行復(fù)雜、精確的操作，比如混合和分離微量流體、化學(xué)反應(yīng)、微量分析等等。傳統(tǒng)的微流技術(shù)一般通過光刻機技術(shù)形成三維溝道，通過壓力梯度來驅(qū)動流體運動。但周爽表示，在活液晶中控制細菌的運動則不需要這些條件，只需要簡單控制液晶的取向，有多種靈活的方法，比如表面摩擦、外加電磁場、局部融化等。從這個角度看，活液晶在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的微流體技術(shù)中也能大有作為。
液晶與生命的不解之緣
液晶分子作為一種良好的敏感材料，用于生物傳感器的研究早已有之。湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、化學(xué)生物傳感與計量學(xué)國家重點試驗室教授吳朝陽告訴《中國科學(xué)報》記者，液晶生物傳感器是基于液晶對外界刺激物（如電場或磁場）的快速反應(yīng)。而且，由于各向異性，有序排列的液晶會被引入的抗體分子或細胞打亂。而這種排列上的變化可通過光學(xué)信號傳達，初始狀態(tài)的任何變化與引入物的性質(zhì)和濃度有關(guān)，這正是液晶可用于生物傳感器的原理。
他表示，目前國內(nèi)液晶生物傳感器研究用的主要是熱致液晶，可用于免疫分析、蛋白質(zhì)分析、核酸分析等等。國外科研界也有發(fā)現(xiàn)新的溶致型液晶，可擴展液晶生物傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，用于藥物傳遞檢測或者檢測微生物，甚至有可能實現(xiàn)液晶生物傳感技術(shù)的在線實時監(jiān)測。
不過，吳朝陽也坦言，液晶生物傳感器用于生物分析事實上還處在研究的初級階段，與傳統(tǒng)的生物傳感技術(shù)相比，研究人員對于它的性能并沒有完全掌握。
如果說，液晶生物傳感技術(shù)顯得相對冷門，液晶與生命現(xiàn)象之間的關(guān)系，則是液晶領(lǐng)域非常重要的研究方向。
中科院學(xué)術(shù)期刊《液晶與顯示》編委、陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院教授孫潤廣向《中國科學(xué)報》記者介紹，液晶態(tài)普遍存在于生物體內(nèi)，人的細胞膜、表皮、肌肉、神經(jīng)、視網(wǎng)膜、蛋白質(zhì)、脂類、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，它們本質(zhì)上都屬于溶致液晶。正是由于生物體內(nèi)存在的液晶態(tài)與生物體的生長發(fā)育、肌體的新陳代謝、細胞的能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞、物質(zhì)傳輸?shù)榷济芮邢嚓P(guān)，液晶態(tài)生物材料的開發(fā)才越來越受到關(guān)注。
據(jù)了解，溶致液晶在藥物生產(chǎn)中可用作囊壁材料將藥劑封成膠囊，避免在消化過程中受到酶的破壞，而將藥物控制傳輸?shù)缴矬w的特定部位后，液晶外殼溶解從而釋放出藥物, 最終達到靶向給藥的目的。
生物材料由于在使用過程中會與血液發(fā)生接觸，容易出現(xiàn)凝血現(xiàn)象，在臨床應(yīng)用上受到限制。而如果材料具有與生物膜相似的液晶態(tài)， 利用液晶的特性及其與生物體之間的聯(lián)系， 讓材料的分子有序性與其接觸的血管內(nèi)皮及血細胞的有序性基本一致，就可以降低材料表面與血液之間的界面張力， 改善材料的血液相容性。因此，模仿生物體的結(jié)構(gòu)、功能開發(fā)血液相容性的液晶生物材料也很受矚目。
此外，諸如糖類液晶態(tài)材料、蛋白質(zhì)液晶態(tài)材料，因為具有良好生物相容性、生物降解性以及良好的組織誘導(dǎo)性能，還可作為人們需要的新型仿生組織工程支架材料，同時也為人工模擬組織器官提供基礎(chǔ)。
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