软物质在医学应用的最新进展

软物质及其医学应用

学院：材化学院

专业：材料科学与工程姓名：***

学号：201101***10076

软物质在医学应用的最新进展

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（海南大学材化学院，海口570228）

摘要：软物质由于其特殊的性能而成为国内外各学科领域研究的热点，生物医学方面应用前景广阔，近年来取得了一系列的进展。水凝胶、表面活性剂、生物大分子等都在生物医学方面实现了广泛的应用，研究方面也不断取得进展，在解决已有问题的同时又会发现新的问题，研究前景和应用前景十分广阔。本文主要综述了液晶和水凝胶在医学应用的最新进展，并提出了自己的一些展望。

关键词：软物质；医学应用；液晶；水凝胶

法国物理学家德·热纳在1991年获得诺贝尔物理学奖，发表获奖演说时以《软物质》（Soft Matter）为题[1]，用以概括复杂液体等一类物质，得到广泛认可。从此软物质这个词逐步取代美国人所说的“复杂流体”，开始推动一门跨越物理学、化学、生命科学三大学科的重要交叉学科的发展。

软物质的研究对象包括聚合物、液晶、表面活性剂、胶体、乳状液、泡沫、颗粒物质以及生命大分子等物质状态。按照德·热纳的概括，软物质的基本特性是复杂性和柔软性。复杂性体现在三方面：由复杂链状和支状分子构成；分子本身具有不同的功能团；这些分子自组织或自组装形成各种复杂结构。[2]柔软性是指软物质表现出来的对外界影响的特别敏感型，在外界（包括温度和外力等）的微小作用下会产生显著的宏观效果，即“小的影响引起大的响应”。[3]软物质由于其特殊的性能而成为国内外各学科领域研究的热点，生物医学方面应用前景广阔，近年来取得了一系列的进展。

1.液晶

1.1液晶分子特性

液晶分子是介于液态和晶态之间的一种有机高分子化合物，能有序排列。它有两种可熔温度：在第一个可熔温度下，晶体由固体变成“不透明”的液体，而当温度再升高后，它达到第二个熔点，又可变成正常的透明液体。这样液晶材料能在一定温度或浓度的溶液中，既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性。液晶具有特殊化学、光学、热学等特性，它有多种液晶相态，例如胆甾相、近晶相、向列相等，是一种应用广泛的软物质。

图1能有序排列的有机高分子化合物——液晶[4]

1.2热色液晶用于医学热成像

热色液晶是随温度变化而产生不同颜色的特殊温度敏感材料。由于液晶材料的分子间距与其反射光的频率密切相关，当温度变化时，液晶层状分子结构的间距会相应改变，导致反射光频率随之改变，于是液晶表面颜色与其温度值存在特定的函数对应关系（图2）[5]

图2典型的热色液晶反射光波长（颜色）/温度关系曲线[6]

医学检查应用中热色液晶的测温范围一般选在20-40℃，灵敏度要求较高，选择温度分辨率在0.1℃以内的热色液晶。由图2可知，热色液晶在测温范围下限时反射光波长较长，温度显示红色；而在上限温度则显示紫色。利用热色液晶热成像技术作温度传感器，与远红外成像等技术相比，明显的优势在于它同时满足了高分辨率（包括空间分辨率和温度分辨率）和低成本两个条件，而且液晶的温度标定曲线已知，可得到定量的2维温度分布。

温度敏感参数连接方式说明

热电偶热电效应的

电流变化直接接触点温度，低成本，

高精度

热电阻金属导体的

电阻变化

直接接触点温度，低成本

远红外成像传感器的

电压变化光学聚焦定量2维温度分

布，高成本，高分

辨率，易操作

热色液晶反射光的

波长变化直接接触定量2维温度分

布，低成本，高分

辨率

表1常用温度传感器比较

黄硕等研究的基于手机的热色液晶热成像模式将数据采集、处理和显示在物理结构上分开，大大提升了可操作性，降低了成本。具体步骤是：①将热色液晶涂抹到待检测部位；②用高像素手机拍摄相应的光学图像；③充分发挥GSM移动网络和Bluetooth等信息技术，将原始图像数据发送到医疗机构；④热图重建，疾病诊断；⑤按传输路径反馈到用户手机。[5]

1.3在生物传感器中的应用

液晶分子作为一种良好的敏感材料，由于各向异性，有序排列的液晶会被引入的抗体分子或细胞打乱。这种排列上的变化可通过光学信号传达，初始状态的任何变化与引入物的性质和浓度有关，这正是液晶可用于生物传感器的原理。[7]因此，液晶材料可以在免疫分析[8]、蛋白质分析、核酸分析等领域制作生物传感器。

Xue和Yang报道了一种准确、可靠的液晶蛋白分析法。该方法可用于检测浓度非常低的IgG，BSA，抗IgG的FITC和抗生物素的FITC。[9] Andrew和Danial结合力阳离子表面活性剂（OTAB），构建了DNA液晶传感器[10]。通过二次诱导，实现对DNA的低浓度检测，检测下限可大50fmol（1

fmol=15

10−mol），而且能很好的区别一个碱基配错的DNA。[10]

1.4展望

随着液晶材料在与医学相关的显示、波谱学、传感器和诊断学、生物模仿、调节器和激光器等领域的深入研究，显示、光学和远程通信工业带来装置革新的液晶材料正在逐渐渗透到生物学、医学、生物医学工程等领域中。[11]一方面，可以提高液晶传感器用于病原体检测、重大疾病诊断、基因组学分析等的灵敏度，发展更快速、自动化、智能化的液晶传感器。另一方面，可以将热色液晶热成像技术应用到工业生产、遥感体温计等生产生活领域。

2.水凝胶

2.1水凝胶特性

水凝胶是以水为分散介质的凝胶，在水中能够吸收大量的水分溶胀，并在溶胀后继续保持其原有结构而不被溶解。水凝胶类似于生命组织材料，表面粘附蛋白质及细胞能力很弱，在与血液、体液及人体组织相接触时，表现出良好的生物相容性。它既不影响生命体的代谢过程，代谢产物又可以通过水凝胶排出。水凝

胶比其它任何合成生物材料都接近活体组织，吸水后可减少对周围组织的摩擦和机械作用，显着改善材料的生物学性能。

2.2用作医药控释载体

近年来，各国科学家大力开发能将最低药物量长时间地维持在患部的药物传送系统（DDS，又称药物给药系统）。DDS由储存药物、控制释放速度、驱动释放3种机构组成。水凝胶兼备这3种机构的功能，且在药物控释方面具有智能化、效率高和安全方便等优点。[12]根据其响应条件可以分为pH敏感型、温敏性、电场敏感性、光敏感型等。

Sung-Eun Park等[13]以聚(乙烯醇-g-丙烯酸)为载体，以胰岛素为模型药物，通过小鼠动物实验，发现口服被水凝胶包覆的胰岛素能有效降低其血糖，因而聚(乙烯醇-g-丙烯酸)载体能有效保持胰岛素的活性，避免胃酸的破坏。已被用作胰岛素载体的pH敏感水凝胶材料有聚(甲基丙烯酸-乙二醇)[14]、海藻酸[15]等。

李聪等通过以两端带有碳碳双键的聚己内酯为生物可降解交联剂，N-异丙基丙烯酰胺为单体，通过自由基共聚合成了生物可降解的温度敏感性水凝胶。以这种水凝胶为载体研究了PTHrP1-34(甲状旁腺相关肽)在不同温度下的体外药物释放行为。体外模拟释放表明，此水凝胶载药体系能实现PTHrP1-34长达13天的持续释放，基于PTHrP1-34具有能够增加成骨细胞活性和数量并能促进骨形成的作用，同时这种有益效果取决于低剂量及间歇给药的方式。[16] Daniel J.Schmidt等通过层层自组装技术制备了壳聚糖/普鲁士蓝/庆大霉素纳米级薄膜，将该薄膜作阴极，在Ag/AgCl电极上加＋0.5V以上的电压，带负电荷的普鲁士蓝被氧化后变成中性，薄膜分解，快速释放小分子药物庆大霉素，从而通过调节电压达到脉冲给药的目的。[17]

2.3用作医用敷料

水凝胶敷料是新近开发的，具有良好的品质和运用前景而可望在以后获得广泛使用的新型敷料。[18]水凝胶敷料具备以下优点：吸水及保水性能良好，可以保持创面湿润；组织相容性好，不会粘合伤口，能减少更换敷料时带来的二次损伤；具有一定的抵抗细菌入侵的功能，防止伤口的感染；低毒甚至没有毒性；制作的时候可掺入一定的药物辅料，使用时在创口局部缓释以达到局部抗菌功能。

2.4作角膜接触镜材料

角膜接触镜俗称隐形眼镜，是一种兼具视力矫正、美容、眼睛防护和医疗作用的产品。在维持角膜正常生理活动的过程中，氧分子和一些其他离子、分子的通透性至关重要。氧的通透性是隐形眼镜材料最重要的特性之一。

软质角膜接触镜的制作材料为聚甲基丙烯酸多羟乙基酯水凝胶(PHEMA)，它弹性好，具有一定的亲水性和氧气透过性，但不适合长时间配戴。PVP共聚物水凝胶制造的角膜接触镜材料含有大量的水分，具有比较高的氧气通过能力，能够保证角膜新陈代谢的需要。[19]新一代硅水凝胶镜片，其透氧性能大大提高，因此很好的避免因为长时间配戴隐形眼镜引起的角膜缺氧问题，可以长时间连续配戴。

2.5展望

对于角膜接触镜材料，如何避免蛋白吸附延长使用寿命、如何增强透氧性能延长配戴时间、如何提高舒适度减轻不适，都是需要解决的问题。

作为生物医学材料，提高生物相容性和生物降解性仍然是水凝胶有待改善的地方。如何将水凝胶从实验室研究阶段推进到产业化生产，是需要材料、生命科学、药学等领域的科研工作者共同努力的。