液晶在生命科学的应用

摘要：在生物体内部存在许多的液晶现象。通过对液晶光学性能、温度敏感性等研究，发现生物体中液晶态结构的物理化学性质的变化与生命过程紧密相关。生物液晶状态在自然界普遍存在。通过精细的研究生命体液晶态结构的变化规律可以更好的了解生物组织结构特征、信号传导等生物过程。利用液晶的特性及其与生物体组织间的作用机制联系,将其应用于生物检测、药物运输、构建新型仿生材料等。本文综述了液晶的发现和发展，生物液晶的内容以及液晶在生命科学领域中的应用。

关键词：液晶态结构；生物液晶；生命科学；应用

1液晶的发现

1888年，奥地利植物学家Reinitzer制备了一种胆固醇酯即胆甾醇苯酸酯，观察到它有两个熔点，将物质加热到145.5℃时，固体胆甾醇苯酸酯的结构遭到破坏，随后由固体变成浑浊并且不透明的液体，再继续持续加热到178.5℃时，此浑浊且不透明状态的“液体”又转变成透明的类似于一般液体的状态，且两种状态物理性质都不同。这些现象表明胆甾醇苯酸酯有三个明显的相变阶段：固态液晶态液态。德国物理学家Lehmann对多种有机化合物进行了系统的研究，发现在这些有机化合物与胆甾醇苯酸酯相类似的相变行为，在机械特性方面行为像液体一样具有流动性，但是在光学特性方面行为又像晶体一样具有有序性，从而创用了“液晶”一词。Lehmann在1922年提出液晶所具有的有序性和流动性，这些性质可能与生命体所表现的性质有许多类似的地方，说明生命结构与液晶态有不可忽视的关系[1-2]。

2生物与液晶不可分离的关系

在生物体内部存在许多的液晶现象，通过对液晶光学性能、温度敏感性等研究，发现液晶结构的变化与生物体所表现出的许多生命现象具有密不可分的关系。人们把广泛存在于生物体内的液晶物质叫做生物液晶[3]，生物液晶是液晶理论在生命科学中的具体应用[4]。生物分子存在于人体内的水环境中，这些生物分子自身通过各种排列组合构成了细胞、组织和器官。如果将构成生命系统重要部分的结构状态变化所引起的生命功能的改变与液晶的某些性质联系，则能更进一步认识生物系统各部分的功能。通过对肌肉的研究发现肌肉组织具有流动双折射特性，从而得到肌有液晶性质[2]，后来逐步发现细胞膜、卵巢、髓质、神经髓鞘、动脉、视网膜、核酸、植物叶绿体等都是由生物分子在水溶液中经过有序排列形成液晶状态而存在于生命体中[5-7]。液晶态确是生活机体的细胞和超细胞物质的一个整体特性[8]。通过液晶的特征可对生物体的许多特性进行说明[9]：首先液晶具有流体的性质，这种状态能够同时表现生物体系的运动性和构成生物体系的形式多样性；其次液晶分子的有序排列结构能不断破坏以及在某些范围内是可再生，这与生物为了维持其短暂的生命，循环住复地进行某项生命活动相似，比如吞噬细胞进行内吞和胞吐等过程细胞的结构状态可以循环往复变化。最后通过研究生物体液晶态的变化来研究生命体的各项生命活动主要是应用了液晶对外界的影响极为灵敏，非常微小的环境变化诸如热、磁、光、电、声、辐射、外力以及空气中化学分子等的微小变化都会引起其分子排列的变化从而性质作相应的改变，这一明显又独特的性质使人们了解生物体的结构变化，进而对生命体所表现出的各种生命活动进行研究。细胞是生物体基本的结构和功能单位，它所表现出来的各项生命活动与液晶结构及性质的变化有着极为密切的关系。研究表明生物膜的主要构成物质是脂类、蛋白质和胆固醇以及少量多糖整齐地排列起来并浸泡在水环境中，一个固相是不适合物质传递和信息传递的，而且各向同性的液体不能将细胞从周围的环境所隔离以及为膜蛋白提供支架以并且不能将各个细胞器隔离开[10]。生物膜在身体内主要以易溶的层状液体结晶状态存在，是生命体所需的稳定性和流动性的完美结合。脂膜的相变和胆固醇对脂质的易溶相位序列的影响的研究是很热门的课题。液晶相的拓扑缺陷和相变理论用于研究生物膜融合的机制当中。生物与液晶的联系不仅仅只限于生物膜这一结构，其他许多重要的生物分子比如多肽、多核苷酸、蛋白质、多糖、核糖核酸和脱氧核糖核酸等，在生物体水环境中都以棒状的刚性分子存在，当水环境某种生物分子的浓度较低时，它们的分布状态是随机的，没有一定的规律，当浓度达到临界浓度之后，这些生物的分子聚集到一起形成微区，并按照一定的序列排列，浓度增加到某一阈值形成液晶状态[11]。实验表明在水溶液中当脱氧核糖核酸(DNA)分子浓度达到25%~30%时，分子就会排列成有序结构，形成了比较理想的液晶结构[1]。DNA在水环境中形成液晶态，这个结果对于人类了解生命起源有重要影响，现在通过低温电子显微技术可以研究病毒衣壳，并得到病毒DNA在衣壳内形成了高度有序的液晶态所以比较紧密。蛋白质、多糖、核糖核酸和脱氧核糖核酸等生物分子形成液晶态的过程与溶致液晶的形成过程类似，但生物分子组成的液晶态受温度的影响比较敏感，因而具有热致性液晶的某些性质，如人生病发烧了生物分子的液晶态发生了变化。所以生物液晶同时具有溶致性液晶和热致性液晶的性质。异常的生命活动让人想起液晶结构的变化，并且利用液体结晶序列建模来模拟生物体结构。良好的液晶态结构，为体内的生物化学等反应提供了合适的环境，为生物体的各项生命活动均提供了比较理想的生存条件。当生物体的某部分的液晶态结构发生变化时，正常的生物化学反应受阻，生物体将不能再进行正常的生命活动，就出现了生老病死等生命过程，比如利用电子自旋共振和核磁共振检测癌细胞产生的病因以及转移机制，发现发生癌变的细胞膜的物理状态与正常细胞膜的物理状态有所不同，它的有序性较正常细胞减弱，但是流动性却大大增强，这表明癌细胞膜发生了从液晶态到液态的相变，并且引起癌变的这种相变往往是不可逆的[2]，所以利用癌变细胞的相变行为特征，可以用核磁共振方法对癌症作早期诊断早期治疗。在生物体内到处都有液晶结构，适当的液晶态是维持生物体的正常生理功能所必需的条件。如果体内的液晶结构发生了变化，生物体将处于不正常的生理状态，各项生命活动就不能保证正常运作。因此液晶态在生物学中扮演了重要角色。

3液晶在生命科学中的应用

生物结构与液晶的联系密不可分。人们根据液晶理论研究生命现象，通过生命活动过程中液晶结构变化来了解生命活动。液晶已被成功地应用到医学、生物学、食品学等领域，例如利用液晶分子与手性生物分子间氢键相互作用应用于生命科学的研究，胆甾型液晶作为示温工具用于医学，向列型液晶可作为生物探测器，溶致型液晶可作为药物或者营养物质的输送工具，液晶态生物材料可用于开发新型仿生材料和人工组织器官等，液晶显示技术原理用来解释生物体内信息的传递等。3.1胆甾型液晶在医学中的应用胆甾型液晶的分子排列取向受温度的影响比较明显，胆甾型液晶所处的环境温度发生变化时便可观察到液晶的颜色改变。其显色示温的机理是因为它的层状螺旋结构的螺距大小会随温度而改变，所以液晶分子结构发生变化肯定导致其光学性质改变，通过光散色发生的变化研究温度的变化。人们利用这一特性，成功地将新型手性液晶单体和胆甾弹性体应用在医学等领域[12-13]。利用胆甾型液晶的温度效应，成功制造出液晶温度计，只需要把温度计放在患者的额头根据温度计的颜色变化就可以得到患者的体温，水银温度计摔坏后水银流出就会对人体的健康和环境带来危害，而液晶温度计则成功的避免了这些缺点。胆甾型液晶成功应用于诊断肿瘤，依据的是肿瘤组织的温度要比正常组织略高一点，在待查部位涂上一层胆甾型液晶膜，就可以根据它们颜色的不同从而准确诊断出肿瘤的确切部位。并且现在这种方法已在临床上用于多种癌症的诊断，对患者进行及时切除治疗为病人解除病患。利用胆甾型液晶来诊断血液循环障碍等。另外手性液晶的旋光率可随温度规律性变化这一特性可用于生命科学中的热敏材料[14]。3.2液晶的生物检测应用液晶分子的排布序列对物理化学环境变化较为敏感，从而影响其光学性能，利用该特性可以将其应用到生物检测方面[15,16]。利用向列型液晶光学性能的改变可以将微弱的生物结合作用进行放大肉眼观察其变化规律[17]。现在已经实现通过低温电子显微技术来研究病毒DNA，病毒DNA在衣壳内形成了高度有序的液晶态。通过制备均匀的二维结构或者是垂直排列具有特定取向的向列型液晶检测器，在其中加入DNA，根据偏振显微镜观察到的纹理特征变化得到其液晶光学性能的变化，使微弱的反应现象进行放大肉眼可以观察[18-19]，从而较容易地观察检测病毒的DNA序列。其检测原理是在含有阳离子表面活性剂溶液的界面制备分子主轴为垂直取向向列型液晶，当加入单链DNA(阴离子)时，由于单链DNA所带的电荷与表面活性剂所带电荷的电性相反，DNA和表面活性剂之间通过静电作用打乱液晶分子的特定取向，在偏振显微镜下就可以观察到纹理特征的改变。当加入互补的DNA单链时，与最初的单链DNA形成双链破坏由DNA与表面活性剂静电作用形成的结构，再一次改变液晶的分子取向改变其光学特性，实现确定单链DNA的序列的目的，并且通过信号信息的进一步分析还可以定量测定出DNA的浓度[20]。近年液晶用于生物催化剂(酶)、葡萄糖、DNA序列、蛋白质、多肽链、脂肪酸、生物受体等生化物质的检测中[18,21-23]，进一步拓展了液晶生物传感器技术的应用。与大多数生物传感器不同的是液晶检测技术不需要荧光标记等过程[24]，所以应用液晶的生物探测技术又被称为无标记的生物探测技术，但是在界面有序的液晶分子的取向被所检测物质所打乱的分子作用机制等问题有待进一步研究。液晶态生物材料具有高分子生物材料和液晶双重特性，因此独特的性能使其能适于用作生物传感领域。3.3液晶的药物或营养物质输送应用溶致液晶是由双亲性分子构成的生物相容性结构，主要有立方相和六角相结构，在溶致液晶体系中通过加入纳米粒子、碳水化合物、嵌段聚合物或生物分子组装纳米结构有序的液晶材料[25]。使溶致液晶具有易降解、高生物亲和性、高靶向性、缓释药物且长循环等优点，在药物和营养物质运输方面也具有较广泛的应用[26]。例如通过超声作用使药物分子或营养物质包裹在液晶结构中，此时生物液晶分子表现表面活性剂特性，与传统的载药或营养物质的脂质体相比液晶在该物质输运方面的优点在于其包含等量的极性和非极性的物质，可以同时携带亲水性、亲脂性和两亲性药物，例如合成聚乙烯二元醇型液晶用来运输亲水性病毒唑与亲脂性布洛芬药物[27]，而传统的脂质体通常被用来携带疏水性药物；液晶结构携带药物过程的其他重要的优势是可避免消化过程中化学物质或酶对药物的破坏；药物分子释放速度要比一般的脂质体药物慢一些；提高药物负载能力以及改善组织耐受性等，目前已有研究报道液晶胶体粒子携带药物用于治疗乙型肝炎、皮肤病、癌症等疾病[28-30]。虽然研究表明可以通过控制溶致性液晶分子结构来进行药物或营养物质输送[31-32]。但是仍有许多关键问题没有解决，如液晶胶体粒子的给药方式、在不同微环境下的适应能力及理化性质的变化等问题。因为人体的生理环境非常复杂，很难找到一种液晶物质输送药物可以适应从进入人体后所经过的各种不同环境，在药物运输过程中液晶相可能会因为温度、pH值或离子浓度的变化引起的相态变化，从而引起性能改变，同时在产业化过程中昂贵的成本也是另一个需要解决的问题。另外，液晶态生物材料利用液晶的特性及其与生物体组织间的相互作用机制联系，可用于改善生物材料的血液相容性，如蛋白质材料、糖类及其衍生物在一定条件下呈现液晶态并且具有良好生物相容性，可更好的模拟生物体内结构，所以液晶态生物材料可用于开发新型仿生材料和人工组织器官等[33]。以类脂为基础组装的仿生溶致液晶体系由于其特殊的结构和性质在模拟生物体结构、解释生物体内各项生命活动以及直接现场生成纳米材料、分子识别和基因治疗等领域具有潜在的应用价值[25]。

4结语

生物体内部存在许多的液晶结构，利用生物体中液晶的特性变化与生物体组织结构变化的联系，探索生命科学的奥秘及探测及治疗人类疾病。目前科研人员通过将液晶与可控的活性物质结合在一起建立一种通用的模型系统来研究宏观动态模式和潜在的微观相互作用的生物联系，这将对生物医学领域起到巨大的推动作用。利用液晶的特性及其与生物体不可分离的关系，使液晶在生物学、医学、食品学等领域具有广阔的应用前景。

作者：徐国庆 郝长春 吴胜举 孙润广 单位：陕西师范大学物理学与信息技术学院