田冶曾慶慧田小俊任雅清

1 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 （廣州 510663）

2 廣州市生物醫(yī)用血液凈化材料研究與開發(fā)重點實驗室 （廣州 510663）

3 暨南大學材料科學與工程系 （廣州 510632）

液晶生物醫(yī)用材料的研究進展

田冶1,2曾慶慧3田小俊1,2任雅清1

1 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 （廣州 510663）

2 廣州市生物醫(yī)用血液凈化材料研究與開發(fā)重點實驗室 （廣州 510663）

3 暨南大學材料科學與工程系 （廣州 510632）

液晶是處于液態(tài)和晶體態(tài)之間物質(zhì)的一種過渡態(tài)。生物體內(nèi)的蛋白、核酸、脂類、多糖等，大部分以液晶態(tài)的形式存在。液晶材料以其特殊的可流動性、有序性和光學各向異性等特點，在生物醫(yī)用材料領域得到越來越廣泛的關注。本文主要綜述了近年來液晶材料在藥物載體、血液相容性材料、組織工程和生物傳感器等方面的研究進展，并對其在該領域的未來發(fā)展方向進行了展望。

液晶 生物醫(yī)用材料 血液相容性 組織工程 生物傳感器

液晶（Liquid crystal）是處于液態(tài)和晶體態(tài)之間的一種物質(zhì)的過渡態(tài)，是有別于液體和晶體的一種獨立的物質(zhì)形態(tài)，處于液晶態(tài)的物質(zhì)既具有液體的流動性和連續(xù)性，又部分具有晶體分子的有序性和光學各向異性，從而形成在物質(zhì)性質(zhì)上呈現(xiàn)各向異性的流體[1]。根據(jù)液晶形成的條件和組成，液晶可以分為熱致型液晶和溶致型液晶兩大類。熱致型液晶（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，其液晶現(xiàn)象只能在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)。而溶致型液晶（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。只有當溶液中溶質(zhì)分子濃度處于一定范圍內(nèi)，才出現(xiàn)液晶態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，人的細胞膜、表皮、肌肉、神經(jīng)、視網(wǎng)膜等，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)上都屬于溶致型液晶。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。

1.生物體內(nèi)的液晶態(tài)物質(zhì)

液晶態(tài)物質(zhì)普遍存在于生物體內(nèi)。生物體內(nèi)的四大有機化合物——蛋白質(zhì)、核酸、脂類、多糖等的分子鏈上多有苯環(huán)和能夠形成氫鍵的極性基團及不對稱原子，具備了形成液晶態(tài)的條件，可以形成溶致型液晶，它們在水溶液中多呈棒狀或扁平狀。探索這些有機生物大分子的液晶行為，已成為近年來研究的熱點[2]。

（1）蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是構(gòu)成人體組織器官的支架和主要物質(zhì)，在人體生命活動中，起著重要作用，可以說沒有蛋白質(zhì)就沒有生命活動的存在。蛋白質(zhì)是由α-氨基酸按一定順序結(jié)合形成多肽鏈，再由一條或一條以上的多肽鏈按照其特定方式結(jié)合而成的高分子化合物。肽鏈是蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)，而多肽則是蛋白質(zhì)水解的中間產(chǎn)物?？茖W家早在1950年就從人工合成的多肽—聚-γ-芐基-L-谷氨酸酯（PBLG）的氯仿溶液在蒸發(fā)過程中觀察到雙折射的現(xiàn)象，Robinson隨后對PBLG的溶液體系進行了仔細研究，發(fā)現(xiàn)PBLG在溶液中是一種棒狀剛性分子，當溶液濃度達到某一臨界值時，PBLG在溶液中定向排列，開始出現(xiàn)液晶態(tài)。液晶態(tài)的PBLG溶液呈現(xiàn)平行的、等間隔的、明暗交替的帶狀結(jié)構(gòu)，相鄰的暗帶或明帶之間的間隔有周期性，變動范圍在2～100um之間，其周期性間隔大小受溶劑、濃度和溫度影響，這些證明了PBLG能形成膽甾相液晶。膠原是動物體內(nèi)含量最高的一類高特異性的蛋白質(zhì)，其含量約占人體總蛋白含量的30%。Girand-Guille等用偏光顯微鏡和掃描電鏡觀察到人軟骨骨髓呈六角型圓柱狀，這些圓柱體是由大量的同軸膠原纖維的薄層形成的，這些薄層明暗相間，從側(cè)面看呈弧狀，類似膽甾相液晶片層結(jié)構(gòu)的堆積[3]。Martin等將中性的I型膠原溶液用pH=7.4的磷酸鹽緩沖溶液透析后，將其濃縮至5～30mg/ml，通過偏光顯微鏡觀察到膠原分子具有向列相和預膽甾相的液晶態(tài)現(xiàn)象[4]。Hulmes通過實驗進一步證實了動物體內(nèi)的膠原纖維是先經(jīng)過原膠原分子液晶態(tài)的自組裝，再組裝而成的[5]。

（2）核酸

核酸是另一類生物大分子，其相對分子質(zhì)量達到幾十萬至幾百萬，核苷酸是組成核酸的基本單位。一個核苷酸分子是由一分子含氮的堿基、一分子五碳糖和一分子磷酸組成的。根據(jù)五碳糖的不同可以將核苷酸分為脫氧核糖核苷酸（DNA）和核糖核苷酸（RNA），其中DNA是儲存、復制和傳遞遺傳信息的主要物質(zhì)基礎，具有雙螺旋結(jié)構(gòu)。自從Robinson在1958年觀察到DNA分子在溶液中呈棒狀，達到臨界濃度時呈膽甾相液晶時，DNA的液晶行為也成為研究關注的熱點[6]。夏若虹等采用小牛胸腺DNA為原料，將其溶于去離子水中，觀察到在溶液濃度大于5%時，DNA能形成較好的液晶態(tài)，且呈典型的膽甾相液晶態(tài)[7]。Blanc等通過低溫電子顯微鏡觀察到在精液中，DNA分子呈膽甾相液晶并存在相錯，形成有間隔的六角形。以上研究證明，生物體內(nèi)的DNA在一定的條件下是以液晶態(tài)的形式存在的[8]。

（3）脂類

脂類包括磷脂類、中性脂類、神經(jīng)鞘脂類、糖脂類和類固醇等。它們是構(gòu)成生物膜的重要原料，對維持生命機體的結(jié)構(gòu)和功能，起著非常重要的作用。磷脂、類固醇及糖脂等是脂類的主要組成部分，它們都是雙親性分子，在適當溶劑中，都可以呈現(xiàn)液晶態(tài)。磷脂頭部是強極性、易溶于水的親水端，尾部是由16～20個碳原子的兩條脂肪鏈組成，像油一樣的疏水端。當大量的磷脂與水混合時，要經(jīng)歷一個從混濁到清亮溶液的相轉(zhuǎn)變過程，呈現(xiàn)出液晶態(tài)質(zhì)。Vill等報道了糖脂熱致液晶和溶致液晶行為，其立方形的液晶構(gòu)型為細胞的黏附提供了新的位點，從而為更好地促進細胞的生長與增殖以及為調(diào)控藥物釋放提供了新的思路[9]。

（4）多糖

多糖是由多個單糖分子縮合、失水而成的糖類物質(zhì)。多糖的結(jié)構(gòu)單位是單糖，其基本結(jié)構(gòu)是（C6H10O5）n，相對分子質(zhì)量從幾萬到幾千萬，結(jié)構(gòu)單元之間以糖苷鍵相連接。1982年Ogura首次報道一種廣泛存在于甲殼綱動物的甲殼內(nèi)的天然多糖——殼聚糖具有液晶行為[10]，殼聚糖及其衍生物的液晶行為近年來成為人們研究的熱點[11,12]。研究認為，殼聚糖分子鏈中含有羥基、氨基等可形成氫鍵的極性基團，具有很強的鏈剛性。隨分子量的增加，殼聚糖溶致液晶的臨界濃度成反比地減少，而脫乙酰度為50%時其臨界濃度最高。吳大誠等報道了在二氯乙酸中呈液晶態(tài)的殼聚糖臨界濃度的實驗值，與采用Khokhlov-Semenov-Odijk理論（蠕蟲連模型）得到的計算值一致，認為蠕蟲連模型可以很好地解釋殼聚糖在二氯乙酸中的溶質(zhì)液晶行為[13]。也有研究認為，殼聚糖的液晶態(tài)是其膠束顆粒在分子間的相互作用下形成的自組裝構(gòu)型，是一種非平衡態(tài)的耗散結(jié)構(gòu)[14]。

2.液晶態(tài)物質(zhì)在生物醫(yī)用材料中的應用

（1）藥物載體

將藥物與溶質(zhì)液晶復合，藥物可被包裹在液晶態(tài)中的內(nèi)水相和雙層結(jié)構(gòu)之間的憎水域中，這樣既可以避免藥物在消化過程中受到酶的破壞，又可將其控制傳輸?shù)缴矬w的特定部位，在那里液晶的外殼溶解釋放出藥物，從而達到靶向給藥的目的。目前在藥物控釋研究最多的主要是立方液晶，它具有兩條互不相連的水道（aqueous channel），其中一條與外部相通，另一條則封閉。該體系以立方晶格為結(jié)構(gòu)單元，在空間上三維延伸，具有雙連續(xù)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即脂質(zhì)雙分子層折成具有三維、循環(huán)排列和最小表面積的緊密，類似“蜂窩狀”的結(jié)構(gòu)。用于形成立方液晶的以單油酸甘油酯（Glycerol monooleate，GMO）的研究最多，其他的如磷脂[15]、吐溫80[16]以及聚乙二醇類[17]等也都有報道。單油酸甘油酯構(gòu)建的立方液晶，能在較高溫度下（≈60°C）保持穩(wěn)定，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是三維循環(huán)延伸的，具有脂相與水相雙連續(xù)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，內(nèi)表面積、粘度及膜強度很大，使其能夠成為良好的藥物載體[18]。Engstrom首次將立方液晶作為藥物載體包裹生長激素抑制劑，注入兔子體內(nèi)，可連續(xù)釋放6h[19]。Al-Sayed等以GMO包載呋塞米，藥物在pH5.8介質(zhì)中可緩釋長達24h[20]。它既可包封水溶性藥物，如四環(huán)素、頭孢唑啉等，也可包封脂溶性藥物，如維生素E，阿司匹林等，甚至一些大分子如蛋白質(zhì)類藥物如血紅蛋白和胰島素等也能包封在其中。Sadhale用GMO包載胰島素，分別以攪拌后、未攪拌的立方液晶胰島素、攪拌過的胰島素溶液及生理鹽水（對照），給四組SD大鼠進行皮下注射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)攪拌過的胰島素溶液幾乎沒有降血糖活性，而包載在GMO中的胰島素仍保持降糖活性，幾乎不受攪拌的影響[21]。

（2）血液相容性材料

具有良好的血液相容性是生物材料的基本要求之一，用于心血管疾病發(fā)病部位的組織和器官的修復和替代用材料同血液有短期或長期直接接觸，所以要求有嚴格的血液相容性性能，不得引起溶血、凝血等機體的不良反應。血液和材料相互作用的機理表明，當材料與血液接觸以后會引起血液發(fā)生許多物理、化學和生物變化，其中最快的變化是血漿蛋白在材料表面的吸附，在材料表面形成附著的蛋白質(zhì)吸附層。當材料表面吸附一定的γ-球蛋白和纖維蛋白原后，血小板就會黏附在材料蛋白層的表面，血小板受到材料刺激后粘性增加，進一步聚集釋放大量的凝血因子而導致凝血。

生物體血管壁具有良好的血液相容性，研究認為血管內(nèi)膜中流動的、取向的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)是其具有優(yōu)良抗凝血性能的主要原因。模擬血管內(nèi)壁的天然結(jié)構(gòu)，將液晶材料引入聚合物基材中制成聚合物/液晶復合材料，能夠有效改善純基材的血液相容性。本課題組周長忍教授在上世紀末首創(chuàng)提出用小分子的膽甾醇油烯基碳酸酯（COC）修飾聚氨酯（PU），結(jié)果證明復合膜表面形成了防生物膜的兩相分離結(jié)構(gòu)，PU的血液相容性得到提高[22,23]。將液晶態(tài)物質(zhì)與其他常用的生物材料，如聚硅氧烷、聚乳酸、殼聚糖等復合，證明了復合材料表面的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)能在一定程度減小材料對紅細胞的破壞和減少血小板的吸附，延緩凝血時間，使材料的血液相容性得到一定的改善[24,25]。研究進一步發(fā)現(xiàn)，相比小分子液晶，加入聚合物液晶雖然抗凝血性不如小分子液晶好，但其在共混物中能夠較穩(wěn)定的存在，而小分子液晶在體液中較易流失[26]。屠美等則改進了膽甾醇液晶和基質(zhì)材料共混時的方法，在成膜過程中施加了不同強度的電場，制成取向聚氯乙烯/液晶復合物、聚氨酯/液晶復合膜，通過調(diào)控液晶的含量和外加電場強度來控制取向聚合物/液晶復合膜中液晶疇尺寸，進而控制液晶疇取向性能，提高復合膜中小分子液晶的穩(wěn)定性和排列有序性[27]。除了溶質(zhì)液晶，計劍等使用長鏈烷基修飾的膽固醇癸二醇醚，制備出膽固醇基團直接鍵合和通過長鏈烷基柔性鏈鍵合的膽固醇-聚硅氧烷接枝共聚物，該共聚物可以形成熱致液晶，結(jié)果顯示其同樣有助于降低材料表面的血小板黏附和延長再鈣化時間，具有良好的血液相容性[28]。

（3）生物傳感器

生物傳感器的基本原理是基于生物活性材料具有的優(yōu)異的分子識別能力，因此對測定物質(zhì)有較高的選擇性和靈敏度，可被用于病原體檢測、重大疾病診斷、基因組學分析等領域。生物傳感器與傳統(tǒng)的各種物理傳感器、化學傳感器的最大區(qū)別在于：生物傳感器的感受器中含有生命物質(zhì)；探索和揭示出生命系統(tǒng)中信息的產(chǎn)生、存儲、傳輸、加工、轉(zhuǎn)換和控制等。液晶生物傳感器是基于液晶對外界刺激物（如熱、電場或磁場）的快速反應原理而制備的。傳感器中各向異性，有序排列的液晶會被引入的抗體分子或細胞打亂，初始狀態(tài)的任何變化與引入物的性質(zhì)和濃度有關，而這種排列上的變化可通過光學信號傳達，這正是液晶生物傳感器的工作原理。

1998年，Abbott等首先開辟了將液晶分子作為傳感元件的液晶生物傳感領域的研究先河[29]。Andrew和Daniel結(jié)合了陽離子表面活性劑（OTAB），構(gòu)建了DNA液晶傳感器，實現(xiàn)對DNA的低濃度檢測，能夠很好地區(qū)別一個堿基錯配的DNA[30]。Engelhardt等研制了用于檢測DNA雜化的生物傳感器，其基本原理是利用了液晶取向的改變。Abbott等用機械摩擦法誘導牛血清白蛋白組成膜液晶分子排列，構(gòu)建了良好的牛血清白蛋白液晶傳感器[31]；利用月桂酸鉀醋/正癸醇和水的溶質(zhì)液晶混合物，研制出免疫球蛋白液晶生物傳感器[32]。其領導的研究小組還通過一系列的研究發(fā)現(xiàn)，液晶相與水相之間的磷脂分子的自組裝行為使液晶分子以特定取向，根據(jù)生物分子之間的結(jié)合反應特點，并影響液晶的取向排列以及通過偏光圖像的變化獲得液晶取向排列等原理，從而提出了基于液晶的生物傳感檢測方法，并用于檢測細胞、蛋白、多肽、IgG和有機磷等生化物質(zhì)[33]。

（4）組織工程支架材料

組織工程的發(fā)展對生物材料提出了新的挑戰(zhàn)，除應符合一般生物材料應具有的良好生物相容性外，還希望材料具有理想的生物降解性和良好的組織誘導性能。

Hadderlein對PLA基液晶系列共聚物進行了成骨細胞形態(tài)學測試，發(fā)現(xiàn)細胞對材料無排斥現(xiàn)象，液晶材料對細胞無毒性，細胞質(zhì)內(nèi)無內(nèi)含物和液泡，證明了其具有良好的細胞親和性[34]。膽固醇（CHOL）是細胞膜的基本成分，對細胞膜具有熱力學親和作用，具有調(diào)節(jié)細胞膜磷脂雙分子層黏附和遷移的作用。采用CHOL修飾生物材料，可賦予其良好的細胞親和性，促進細胞的黏附和增殖[35,36]。羅丙紅等制備了膽固醇-g-聚乳酸（CHOL-g-PLA）低聚物，發(fā)現(xiàn)其為一種熱致膽甾型液晶，將其與PLA復合后通過靜電紡絲獲得納米纖維膜，復合膜的拉伸強度顯著大于CHOL/PLA共混膜，且體外骨髓間充質(zhì)干細胞培養(yǎng)結(jié)果顯示其細胞相容性也要優(yōu)于相應的PLA和CHOL/PLA納米纖維膜[37]。對羥基肉桂酸（HCA）是一種來源于植物的天然羥基芳酸類單體，對人體無毒，常被用作合成液晶高分子，Kaneko等對HCA的均聚物和HCA與乳酸（LA）的共聚物進行了研究，并對HCA均聚物進行了生物相容性測試，研究顯示液晶膜顯示出良好的細胞吸附能力，并能夠支持細胞的生長[38]。本課題組等則通過對高濃度膠原溶液施加外剪切力，在體外成功獲得了處于液晶態(tài)的I型膠原基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)與普通無定形態(tài)的膠原相比，這種液晶態(tài)的膠原基質(zhì)不僅有利于促進人臍帶干細胞的粘附增殖，并且能夠促進ALP、Collagen I等成骨基因的表達，顯示液晶態(tài)膠原具有良好的促進干細胞成骨定向分化的性能，這對于構(gòu)建誘導型生物支架具有重要的意義[39]。

3.展望

隨著近年來對于生物體的液晶現(xiàn)象以及液晶的特殊性質(zhì)研究的不斷深入，液晶在生物醫(yī)用材料領域的應用正得到越來越廣泛的關注。盡管液晶態(tài)的生物醫(yī)用材料的研究大多還處于基礎研究階段，但發(fā)展的趨勢良好，未來的主要研究方向可包括：

（1）模仿生物液晶的天然結(jié)構(gòu)，合成具有良好血液相容性和細胞親和性的高分子材料。

（2）與3D打印技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建具有能夠促進干細胞定向分化的生物誘導型三維支架。

（3）將酶聯(lián)免疫法、熒光分析等方法與液晶生物傳感技術(shù)相結(jié)合，可以發(fā)展更靈敏更快速的傳感器，以用于病原體檢測、重大疾病診斷、基因組學分析等領域。

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[11～39]略。

Research Development of Liquid Crystal Biomedical Materials

TIAN Ye1,2ZENG Qing-hui3TIAN Xiao-jun1,2REN Ya-qing1
1 Institute of Guangdong Medical Equipment Quality Supervision and Inspection (Guangzhou 510663)
2 Guangzhou Biomedical Blood Purifcation Materials Research and Development Key Laboratory (Guangzhou 510663)
3 Department of Materials Science and Engineering, Ji’nan University (Guangzhou 510632)

Liquid crystal is a kind of transition state between liquid state and crystal state. Parts of protein, nucleic acid, lipid and polysaccharide exit in their liquid crystal state in organism. Liquid crystal materials are attracted generally in the application of biomedical materials due to its particular characters such as fowability, orderliness and optical anisotropy. This paper reviewed the research development of liquid crystal materials in drug carrier, hemocompatibility materials, tissue engineering and biosensor, and forecast its future development direction in this feld.

liquid crystal, biomedical materials, hemocompatibility, tissue engineering,m biosensor

1006-6586(2016)11-0001-05

R318.08

A

2016-10-11

田冶，博士后，主要從事生物醫(yī)用材料領域研究。

廣東省科技計劃(編號：2014A040401028)，廣州市科技計劃（編號：201510010135）資助。