液晶生物医用材料的研究进展

田冶曾庆慧田小俊任雅清

1 广东省医疗器械质量监督检验所 （广州 510663）

2 广州市生物医用血液净化材料研究与开发重点实验室 （广州 510663）

3 暨南大学材料科学与工程系 （广州 510632）

液晶生物医用材料的研究进展

田冶1,2曾庆慧3田小俊1,2任雅清1

1 广东省医疗器械质量监督检验所 （广州 510663）

2 广州市生物医用血液净化材料研究与开发重点实验室 （广州 510663）

3 暨南大学材料科学与工程系 （广州 510632）

液晶是处于液态和晶体态之间物质的一种过渡态。生物体内的蛋白、核酸、脂类、多糖等，大部分以液晶态的形式存在。液晶材料以其特殊的可流动性、有序性和光学各向异性等特点，在生物医用材料领域得到越来越广泛的关注。本文主要综述了近年来液晶材料在药物载体、血液相容性材料、组织工程和生物传感器等方面的研究进展，并对其在该领域的未来发展方向进行了展望。

液晶 生物医用材料 血液相容性 组织工程 生物传感器

液晶（Liquid crystal）是处于液态和晶体态之间的一种物质的过渡态，是有别于液体和晶体的一种独立的物质形态，处于液晶态的物质既具有液体的流动性和连续性，又部分具有晶体分子的有序性和光学各向异性，从而形成在物质性质上呈现各向异性的流体[1]。根据液晶形成的条件和组成，液晶可以分为热致型液晶和溶致型液晶两大类。热致型液晶（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，其液晶现象只能在一定温度范围内出现。而溶致型液晶（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。只有当溶液中溶质分子浓度处于一定范围内，才出现液晶态。研究发现，人的细胞膜、表皮、肌肉、神经、视网膜等，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型液晶。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。

1.生物体内的液晶态物质

液晶态物质普遍存在于生物体内。生物体内的四大有机化合物——蛋白质、核酸、脂类、多糖等的分子链上多有苯环和能够形成氢键的极性基团及不对称原子，具备了形成液晶态的条件，可以形成溶致型液晶，它们在水溶液中多呈棒状或扁平状。探索这些有机生物大分子的液晶行为，已成为近年来研究的热点[2]。

（1）蛋白质

蛋白质是构成人体组织器官的支架和主要物质，在人体生命活动中，起着重要作用，可以说没有蛋白质就没有生命活动的存在。蛋白质是由α-氨基酸按一定顺序结合形成多肽链，再由一条或一条以上的多肽链按照其特定方式结合而成的高分子化合物。肽链是蛋白质的一级结构，而多肽则是蛋白质水解的中间产物。科学家早在1950年就从人工合成的多肽—聚-γ-苄基-L-谷氨酸酯（PBLG）的氯仿溶液在蒸发过程中观察到双折射的现象，Robinson随后对PBLG的溶液体系进行了仔细研究，发现PBLG在溶液中是一种棒状刚性分子，当溶液浓度达到某一临界值时，PBLG在溶液中定向排列，开始出现液晶态。液晶态的PBLG溶液呈现平行的、等间隔的、明暗交替的带状结构，相邻的暗带或明带之间的间隔有周期性，变动范围在2～100um之间，其周期性间隔大小受溶剂、浓度和温度影响，这些证明了PBLG能形成胆甾相液晶。胶原是动物体内含量最高的一类高特异性的蛋白质，其含量约占人体总蛋白含量的30%。Girand-Guille等用偏光显微镜和扫描电镜观察到人软骨骨髓呈六角型圆柱状，这些圆柱体是由大量的同轴胶原纤维的薄层形成的，这些薄层明暗相间，从侧面看呈弧状，类似胆甾相液晶片层结构的堆积[3]。Martin等将中性的I型胶原溶液用pH=7.4的磷酸盐缓冲溶液透析后，将其浓缩至5～30mg/ml，通过偏光显微镜观察到胶原分子具有向列相和预胆甾相的液晶态现象[4]。Hulmes通过实验进一步证实了动物体内的胶原纤维是先经过原胶原分子液晶态的自组装，再组装而成的[5]。

（2）核酸

核酸是另一类生物大分子，其相对分子质量达到几十万至几百万，核苷酸是组成核酸的基本单位。一个核苷酸分子是由一分子含氮的碱基、一分子五碳糖和一分子磷酸组成的。根据五碳糖的不同可以将核苷酸分为脱氧核糖核苷酸（DNA）和核糖核苷酸（RNA），其中DNA是储存、复制和传递遗传信息的主要物质基础，具有双螺旋结构。自从Robinson在1958年观察到DNA分子在溶液中呈棒状，达到临界浓度时呈胆甾相液晶时，DNA的液晶行为也成为研究关注的热点[6]。夏若虹等采用小牛胸腺DNA为原料，将其溶于去离子水中，观察到在溶液浓度大于5%时，DNA能形成较好的液晶态，且呈典型的胆甾相液晶态[7]。Blanc等通过低温电子显微镜观察到在精液中，DNA分子呈胆甾相液晶并存在相错，形成有间隔的六角形。以上研究证明，生物体内的DNA在一定的条件下是以液晶态的形式存在的[8]。

（3）脂类

脂类包括磷脂类、中性脂类、神经鞘脂类、糖脂类和类固醇等。它们是构成生物膜的重要原料，对维持生命机体的结构和功能，起着非常重要的作用。磷脂、类固醇及糖脂等是脂类的主要组成部分，它们都是双亲性分子，在适当溶剂中，都可以呈现液晶态。磷脂头部是强极性、易溶于水的亲水端，尾部是由16～20个碳原子的两条脂肪链组成，像油一样的疏水端。当大量的磷脂与水混合时，要经历一个从混浊到清亮溶液的相转变过程，呈现出液晶态质。Vill等报道了糖脂热致液晶和溶致液晶行为，其立方形的液晶构型为细胞的黏附提供了新的位点，从而为更好地促进细胞的生长与增殖以及为调控药物释放提供了新的思路[9]。

（4）多糖

多糖是由多个单糖分子缩合、失水而成的糖类物质。多糖的结构单位是单糖，其基本结构是（C6H10O5）n，相对分子质量从几万到几千万，结构单元之间以糖苷键相连接。1982年Ogura首次报道一种广泛存在于甲壳纲动物的甲壳内的天然多糖——壳聚糖具有液晶行为[10]，壳聚糖及其衍生物的液晶行为近年来成为人们研究的热点[11,12]。研究认为，壳聚糖分子链中含有羟基、氨基等可形成氢键的极性基团，具有很强的链刚性。随分子量的增加，壳聚糖溶致液晶的临界浓度成反比地减少，而脱乙酰度为50%时其临界浓度最高。吴大诚等报道了在二氯乙酸中呈液晶态的壳聚糖临界浓度的实验值，与采用Khokhlov-Semenov-Odijk理论（蠕虫连模型）得到的计算值一致，认为蠕虫连模型可以很好地解释壳聚糖在二氯乙酸中的溶质液晶行为[13]。也有研究认为，壳聚糖的液晶态是其胶束颗粒在分子间的相互作用下形成的自组装构型，是一种非平衡态的耗散结构[14]。

2.液晶态物质在生物医用材料中的应用

（1）药物载体

将药物与溶质液晶复合，药物可被包裹在液晶态中的内水相和双层结构之间的憎水域中，这样既可以避免药物在消化过程中受到酶的破坏，又可将其控制传输到生物体的特定部位，在那里液晶的外壳溶解释放出药物，从而达到靶向给药的目的。目前在药物控释研究最多的主要是立方液晶，它具有两条互不相连的水道（aqueous channel），其中一条与外部相通，另一条则封闭。该体系以立方晶格为结构单元，在空间上三维延伸，具有双连续的网络结构，即脂质双分子层折成具有三维、循环排列和最小表面积的紧密，类似“蜂窝状”的结构。用于形成立方液晶的以单油酸甘油酯（Glycerol monooleate，GMO）的研究最多，其他的如磷脂[15]、吐温80[16]以及聚乙二醇类[17]等也都有报道。单油酸甘油酯构建的立方液晶，能在较高温度下（≈60°C）保持稳定，其内部结构是三维循环延伸的，具有脂相与水相双连续网络结构，内表面积、粘度及膜强度很大，使其能够成为良好的药物载体[18]。Engstrom首次将立方液晶作为药物载体包裹生长激素抑制剂，注入兔子体内，可连续释放6h[19]。Al-Sayed等以GMO包载呋塞米，药物在pH5.8介质中可缓释长达24h[20]。它既可包封水溶性药物，如四环素、头孢唑啉等，也可包封脂溶性药物，如维生素E，阿司匹林等，甚至一些大分子如蛋白质类药物如血红蛋白和胰岛素等也能包封在其中。Sadhale用GMO包载胰岛素，分别以搅拌后、未搅拌的立方液晶胰岛素、搅拌过的胰岛素溶液及生理盐水（对照），给四组SD大鼠进行皮下注射，结果发现搅拌过的胰岛素溶液几乎没有降血糖活性，而包载在GMO中的胰岛素仍保持降糖活性，几乎不受搅拌的影响[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，用于心血管疾病发病部位的组织和器官的修复和替代用材料同血液有短期或长期直接接触，所以要求有严格的血液相容性性能，不得引起溶血、凝血等机体的不良反应。血液和材料相互作用的机理表明，当材料与血液接触以后会引起血液发生许多物理、化学和生物变化，其中最快的变化是血浆蛋白在材料表面的吸附，在材料表面形成附着的蛋白质吸附层。当材料表面吸附一定的γ-球蛋白和纤维蛋白原后，血小板就会黏附在材料蛋白层的表面，血小板受到材料刺激后粘性增加，进一步聚集释放大量的凝血因子而导致凝血。

生物体血管壁具有良好的血液相容性，研究认为血管内膜中流动的、取向的液晶态结构是其具有优良抗凝血性能的主要原因。模拟血管内壁的天然结构，将液晶材料引入聚合物基材中制成聚合物/液晶复合材料，能够有效改善纯基材的血液相容性。本课题组周长忍教授在上世纪末首创提出用小分子的胆甾醇油烯基碳酸酯（COC）修饰聚氨酯（PU），结果证明复合膜表面形成了防生物膜的两相分离结构，PU的血液相容性得到提高[22,23]。将液晶态物质与其他常用的生物材料，如聚硅氧烷、聚乳酸、壳聚糖等复合，证明了复合材料表面的液晶态结构能在一定程度减小材料对红细胞的破坏和减少血小板的吸附，延缓凝血时间，使材料的血液相容性得到一定的改善[24,25]。研究进一步发现，相比小分子液晶，加入聚合物液晶虽然抗凝血性不如小分子液晶好，但其在共混物中能够较稳定的存在，而小分子液晶在体液中较易流失[26]。屠美等则改进了胆甾醇液晶和基质材料共混时的方法，在成膜过程中施加了不同强度的电场，制成取向聚氯乙烯/液晶复合物、聚氨酯/液晶复合膜，通过调控液晶的含量和外加电场强度来控制取向聚合物/液晶复合膜中液晶畴尺寸，进而控制液晶畴取向性能，提高复合膜中小分子液晶的稳定性和排列有序性[27]。除了溶质液晶，计剑等使用长链烷基修饰的胆固醇癸二醇醚，制备出胆固醇基团直接键合和通过长链烷基柔性链键合的胆固醇-聚硅氧烷接枝共聚物，该共聚物可以形成热致液晶，结果显示其同样有助于降低材料表面的血小板黏附和延长再钙化时间，具有良好的血液相容性[28]。

（3）生物传感器

生物传感器的基本原理是基于生物活性材料具有的优异的分子识别能力，因此对测定物质有较高的选择性和灵敏度，可被用于病原体检测、重大疾病诊断、基因组学分析等领域。生物传感器与传统的各种物理传感器、化学传感器的最大区别在于：生物传感器的感受器中含有生命物质；探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等。液晶生物传感器是基于液晶对外界刺激物（如热、电场或磁场）的快速反应原理而制备的。传感器中各向异性，有序排列的液晶会被引入的抗体分子或细胞打乱，初始状态的任何变化与引入物的性质和浓度有关，而这种排列上的变化可通过光学信号传达，这正是液晶生物传感器的工作原理。

1998年，Abbott等首先开辟了将液晶分子作为传感元件的液晶生物传感领域的研究先河[29]。Andrew和Daniel结合了阳离子表面活性剂（OTAB），构建了DNA液晶传感器，实现对DNA的低浓度检测，能够很好地区别一个碱基错配的DNA[30]。Engelhardt等研制了用于检测DNA杂化的生物传感器，其基本原理是利用了液晶取向的改变。Abbott等用机械摩擦法诱导牛血清白蛋白组成膜液晶分子排列，构建了良好的牛血清白蛋白液晶传感器[31]；利用月桂酸钾醋/正癸醇和水的溶质液晶混合物，研制出免疫球蛋白液晶生物传感器[32]。其领导的研究小组还通过一系列的研究发现，液晶相与水相之间的磷脂分子的自组装行为使液晶分子以特定取向，根据生物分子之间的结合反应特点，并影响液晶的取向排列以及通过偏光图像的变化获得液晶取向排列等原理，从而提出了基于液晶的生物传感检测方法，并用于检测细胞、蛋白、多肽、IgG和有机磷等生化物质[33]。

（4）组织工程支架材料

组织工程的发展对生物材料提出了新的挑战，除应符合一般生物材料应具有的良好生物相容性外，还希望材料具有理想的生物降解性和良好的组织诱导性能。

Hadderlein对PLA基液晶系列共聚物进行了成骨细胞形态学测试，发现细胞对材料无排斥现象，液晶材料对细胞无毒性，细胞质内无内含物和液泡，证明了其具有良好的细胞亲和性[34]。胆固醇（CHOL）是细胞膜的基本成分，对细胞膜具有热力学亲和作用，具有调节细胞膜磷脂双分子层黏附和迁移的作用。采用CHOL修饰生物材料，可赋予其良好的细胞亲和性，促进细胞的黏附和增殖[35,36]。罗丙红等制备了胆固醇-g-聚乳酸（CHOL-g-PLA）低聚物，发现其为一种热致胆甾型液晶，将其与PLA复合后通过静电纺丝获得纳米纤维膜，复合膜的拉伸强度显著大于CHOL/PLA共混膜，且体外骨髓间充质干细胞培养结果显示其细胞相容性也要优于相应的PLA和CHOL/PLA纳米纤维膜[37]。对羟基肉桂酸（HCA）是一种来源于植物的天然羟基芳酸类单体，对人体无毒，常被用作合成液晶高分子，Kaneko等对HCA的均聚物和HCA与乳酸（LA）的共聚物进行了研究，并对HCA均聚物进行了生物相容性测试，研究显示液晶膜显示出良好的细胞吸附能力，并能够支持细胞的生长[38]。本课题组等则通过对高浓度胶原溶液施加外剪切力，在体外成功获得了处于液晶态的I型胶原基质，发现与普通无定形态的胶原相比，这种液晶态的胶原基质不仅有利于促进人脐带干细胞的粘附增殖，并且能够促进ALP、Collagen I等成骨基因的表达，显示液晶态胶原具有良好的促进干细胞成骨定向分化的性能，这对于构建诱导型生物支架具有重要的意义[39]。

3.展望

随着近年来对于生物体的液晶现象以及液晶的特殊性质研究的不断深入，液晶在生物医用材料领域的应用正得到越来越广泛的关注。尽管液晶态的生物医用材料的研究大多还处于基础研究阶段，但发展的趋势良好，未来的主要研究方向可包括：

（1）模仿生物液晶的天然结构，合成具有良好血液相容性和细胞亲和性的高分子材料。

（2）与3D打印技术相结合，构建具有能够促进干细胞定向分化的生物诱导型三维支架。

（3）将酶联免疫法、荧光分析等方法与液晶生物传感技术相结合，可以发展更灵敏更快速的传感器，以用于病原体检测、重大疾病诊断、基因组学分析等领域。

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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，主要从事生物医用材料领域研究。

广东省科技计划(编号：2014A040401028)，广州市科技计划（编号：201510010135）资助。