電子顯微鏡下的液晶分子形態(tài) 圖片來源：谷歌圖片 液晶（liquid crystal），因為其特殊的物理,、化學,、光學特性,，20世紀中葉開始被廣泛應用在輕薄型的顯示技術上。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,，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合在一起,，開發(fā)出了一種新興的柔性工程復合材料――活液晶，未來最直接的應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,、肯特州立大學液晶研究所博士生周爽在郵件中向《中國科學報》記者解釋了研究團隊提出這種構想的初衷。 眾所周知,，人們最熟悉的物質狀態(tài)（又稱相）就是氣態(tài),、液態(tài)、固態(tài),，但液晶的發(fā)現(xiàn),，打破了人們關于物質三態(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,，液晶的特性與結構介于固態(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,，由此導致液晶在不同方向的物理化學特性也不同 ）,，能像晶體一樣產生雙折射，也能在外場作用下,，產生熱光,、電光或磁光效應,。 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出現(xiàn)。而溶致液晶（Lyotropic liquid crystal,，LLC）是由符合一定結構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,。只有當溶液中溶質分子濃度處于一定范圍內,，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用研究大部分集中在熱致液晶上,，它們構成了顯示器和其他光開關類產品的核心部分。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,，極易與構成細胞壁的磷酸酯雙分子層作用,，從而破壞細胞的機構，因此,，這類溶致液晶可以被認為具有一定的毒性,。而LCLC分子結構上不帶有碳鏈，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,?！八h(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?！敝芩榻B道,。 “此外，‘活’意味著有能量的流動：細菌不停地在把化學能轉化成動能,，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),對應彈性勢能最低的基態(tài)?；钜壕У姆€(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)?！敝芩硎?，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,，很多應用前景還有待開發(fā),。 盡管他在采訪中強調，目前這項研究更接近于基礎理論而非實際應用,，但談到這種新材料在未來的潛在應用,，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運動引起的液體擾動,?；钜壕芊糯蠹{米水平的微小反應，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，微流技術是當下集合了微電子,、微機械,、生物工程和納米技術等的熱門的“會聚技術”。簡單說,，就是用半導體集成技術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,，進行復雜,、精確的操作，比如混合和分離微量流體,、化學反應,、微量分析等等。傳統(tǒng)的微流技術一般通過光刻機技術形成三維溝道,，通過壓力梯度來驅動流體運動,。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)學領域的微流體技術中也能大有作為,。 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,。湖南大學化學化工學院,、化學生物傳感與計量學國家重點試驗室教授吳朝陽告訴《中國科學報》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,。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信號傳達,，初始狀態(tài)的任何變化與引入物的性質和濃度有關，這正是液晶可用于生物傳感器的原理,。 他表示,，目前國內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的應用領域,，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,，液晶生物傳感技術顯得相對冷門,，液晶與生命現(xiàn)象之間的關系，則是液晶領域非常重要的研究方向,。 中科院學術期刊《液晶與顯示》編委,、陜西師范大學物理學與信息技術學院教授孫潤廣向《中國科學報》記者介紹，液晶態(tài)普遍存在于生物體內,，人的細胞膜,、表皮、肌肉,、神經,、視網膜、蛋白質,、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,，它們本質上都屬于溶致液晶,。正是由于生物體內存在的液晶態(tài)與生物體的生長發(fā)育、肌體的新陳代謝,、細胞的能量轉換,、信息傳遞、物質傳輸?shù)榷济芮邢嚓P,，液晶態(tài)生物材料的開發(fā)才越來越受到關注,。 據了解，溶致液晶在藥物生產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，模仿生物體的結構,、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。 轉自求是理論網-科學普及 |