2013年8月 动物结缔组织中超分子胶原液晶结构研究进展 李莉莉1,陈露1,李霞1,孙鹏-23,郝娜1,蒋波1* (1.四川大学生物材料工程研究中心国家生物医学材料工程技术研究中心,成都610064; 2.四川大学原子核科学技术研究所教育部核技术重点实验室,成都610064 3.武警警官学院数学与物理学系,成都610213) 摘要:动物结缔组织的发生、发育及病变与结构和形态密切相关,组织结构有序性在结缔组织发生过程中 尤为明显,结缔组织的胶原液晶结构是胶原分子自组装得到胶原纤维或组织过程中的一个过渡态。本文以重 建胶原为基础分子,讨论了三螺旋结构对胶原分子组装液晶的影响,并分析了胶原分子液晶和超分子液晶结构 转变研究进展和形成的热、动力学条件。诱导胶原液晶形成是体外模拟细胞外基质构建的关键,为研究结缔组 织形态发生机制及病变模型建立了联系,也为仿生枃建组织工程支架提供有益信息。 关键词:胶原分子;嫡致有序;分子液晶;超分子液晶;结缔组织 引言 生物体内分子有序化是维持生命的基础。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、物质传输等与液晶结构密切相关。在分子尺度上观察生物体结构时,发现生物分子在体内(水) 环境中,通过各种有序排列组合,构成了细胞、组织和器官的基本结构。细胞膜、视网膜、神经、表皮和肌 肉等组织显示出既有液体的流动性又类似晶体的有序性,就是由生物大分子(蛋白质、脂类、核酸、碳水化 合物等)在水环境中有序排列而形成的溶致液晶结构 构成脊椎动物结缔组织基本组分之一的胶原蛋白,在动物胚胎早期就已出现,在随后干细胞或细胞 分化、迁移及其组织发生、形成过程中,其结构变化有着极重要的作用。同时结缔组织疾病中主要的疾 病——胶原病的发生与胶原蛋白分子、超分子结构及组织形态密不可分。从结缔组织细胞分泌出胶原分 子到结缔组织完全形成,胶原液晶是这个长程有序自组装的中间过程[。体外模拟这个自组装过程是研 究结缔组织早期发生及病变过程的途径之一,也为仿生构建组织工程支架提供有益信息。 1动物结缔组织中超分子胶原液晶与形态 结缔组织是人体四大基本组织之一,具有连接、支持、保护、营养等多种功能。偏振光显微镜(PLM研究致 密结缔组织的结构发现,不同结缔组织不仅纤维(fber)直径不同,其组织特异性的超纤维结构( superfibrillar structure)与形态也不一样。图1a中角膜或鱼鳞胶原纤维以多层方式排列,每一层中所有纤维平行,相邻 层之间以一个不变的角度(通常为90°)周期性扭曲。整体结构类似层板,从斜切面观察呈一系列弧形结构。图 lb是从径向观察密质骨中骨单位的层板结构,层板以同轴的圆柱体排列,层纹线与层纹线之间呈现出螺旋状周 期性旋转。图lc中腱和韧带的胶原纤维为单轴取向,呈现出起伏和规则卷曲。图1d真皮组织中胶原纤 维形成一个复杂的局部有序三维网状结构[。由此可见结缔组织结构多样性源于胶原纤维的排列形式远程 起伏的程度及邻近纤维层间的夹角,并由此决定了不同的结缔组织宏观生物物理性能特点,如角膜的光学透 明口、骨抵抗负载的各向异性、肌腱的抗拉伸和剪切、真皮各向同性的弹性性能等等。 收稿:2013-01-22;修回:2013-05-21; 作者简介:李莉莉(1986),女,安徽省六安人,四川大学硕士研究生,主要从事组织工程及生物材料研究。E-mal: lilil 0509132@a126,c0m,Tel:18317056012; *通讯联系人,E-mail:jiang@scu.edu.cn;Tel:028-85415977 C1994-2013ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
收稿：２０１３－０１－２２；修回：２０１３－０５－２１； 作者简介：李莉莉（１９８６），女，安 徽 省 六 安 人，四川大学硕士研究生，主要从事组织工程及生物材料研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｌｉｌｉ＿ ０５０９１３２＠１２６．ｃｏｍ，Ｔｅｌ：１８３１７０５６０１２； ＊ 通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｊｉａｎｇ＠ｓｃｕ．ｅｄｕ．ｃｎ；Ｔｅｌ：０２８－８５４１５９７７． 动物结缔组织中超分子胶原液晶结构研究进展 李莉莉１，陈 露１，李 霞１，孙 鹏１，２，３，郝 娜１，蒋 波１＊ （１．四川大学生物材料工程研究中心 国家生物医学材料工程技术研究中心，成都 ６１００６４； ２．四川大学原子核科学技术研究所 教育部核技术重点实验室，成都 ６１００６４； ３．武警警官学院 数学与物理学系，成都 ６１０２１３） 摘要：动物结缔组织的发生、发育及病变与结构和形态密切相关，组织结构有序性在结缔组织发生过程中 尤为明显，结缔组织的胶原液晶结构是胶原分子自组装得到胶原纤维或组织过程中的一个过渡态。本 文 以 重 建胶原为基础分子，讨论了三螺旋结构对胶原分子组装液晶的影响，并分析了胶原分子液晶和超分子液晶结构 转变研究进展和形成的热、动力学条件。诱导胶原液晶形成是体外模拟细胞外基质构建的关键，为研究结缔组 织形态发生机制及病变模型建立了联系，也为仿生构建组织工程支架提供有益信息。 关键词：胶原分子；熵致有序；分子液晶；超分子液晶；结缔组织 引言 生物体内分子有序化是维持生命的基础。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、物质传输等与液晶结构密切相关。在分子尺度上观察生物体结构时，发现生物分子在体内（水） 环境中，通过各种有序排列组合，构成了细胞、组织和器官的基本结构。细胞膜、视网膜、神经、表皮和肌 肉等组织显示出既有液体的流动性又类似晶体的有序性，就是由生物大分子（蛋白质、脂类、核酸、碳水化 合物等）在水环境中有序排列而形成的溶致液晶结构。 构成脊椎动物结缔组织基本组分之一的胶原蛋白，在动物胚胎早期就已出现，在随后干细胞或细胞 分化、迁移及其组织发生、形成过程中，其结构变化有着极重要的作用。同时结缔组织疾病中主要的疾 病———胶原病的发生与胶原蛋白分子、超分子结构及组织形态密不可分。从结缔组织细胞分泌出胶原分 子到结缔组织完全形成，胶原液晶是这个长程有序自组装的中间过程［１］。体外模拟这个自组装过程是研 究结缔组织早期发生及病变过程的途径之一，也为仿生构建组织工程支架提供有益信息。 １ 动物结缔组织中超分子胶原液晶与形态 结缔组织是人体四大基本组织之一，具有连接、支持、保护、营养等多种功能。偏振光显微镜（ＰＬＭ）研究致 密结缔组织的结构发现，不同结缔组织不仅纤维（ｆｉｂｅｒ）直径不同，其组织特异性的超纤维结构（ｓｕｐｅｒ－ｆｉｂｒｉｌｌａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）与形态也不一样。图１ａ中角膜［２］或鱼鳞［３］胶原纤维以多层方式排列，每一层中所有纤维平行，相邻 层之间以一个不变的角度（通常为９０°）周期性扭曲。整体结构类似层板，从斜切面观察呈一系列弧形结构。图 １ｂ是从径向观察密质骨中骨单位的层板结构，层板以同轴的圆柱体排列，层纹线与层纹线之间呈现出螺旋状周 期性旋转［４］。图１ｃ中腱和韧带的胶原纤维为单轴取向，呈现出起伏和规则卷曲［５，６］。图１ｄ真皮组织中胶原纤 维形成一个复杂的局部有序三维网状结构［７］。由此可见结缔组织结构多样性源于胶原纤维的排列形式、远程 起伏的程度及邻近纤维层间的夹角，并由此决定了不同的结缔组织宏观生物物理性能特点，如角膜的光学透 明［２］、骨抵抗负载的各向异性［８］、肌腱的抗拉伸和剪切［９］、真皮各向同性的弹性性能等等。 · ６３ · 高 分 子 通 报 ２０１３年８月
第8期 高分子通报 图1偏振光显微镜(PLM)观察不同结缔组织胶原纤维的形态[10-11 a.角膜或鱼鳞的层状结构;b.骨单位中的胆甾相液晶;c.腱中波状结构的预胆甾相液晶;d.真皮中网状结构 Figure 1 Collagen fi brillar arrangements in various connective tissues by PLM (a)fish scale or the cornea: (b) bone osteon;(c) tendon (crimp structure):(d)dermis of skin 结构生物学研究表明,体现结缔组织各种生物物理性能的是超分子胶原液晶结构,其结构基础是动 物体内最丰富的纤维蛋白分子I型胶原。迄今为止,通过电子显微镜(EM)和Ⅹ射线衍射(XRD)等研究 发现,典型的胶原复杂层次结构(如图2所示)表现为,五个胶原分子首先组装为微纤维( microfibril),微 纤维组装成类似六边形晶体的原纤维( fibril)12,原纤维再组装成纤维( fiber)或纤维束( fiber bundle)等 大聚集体,进而形成组织和器官。 Microfibril: Subibril Fibril Fibroblasts 15nm 3.5nm 10-20mm 50-500mm50300gm 100-500pm 图2腱的层次结构 Figure 2 Consecutive fibril packing in the tendon 尽管各种组织的结构与性能随胶原蛋白超纤维层次结构和量的变化而不同,但以Ⅰ型胶原分子为基 本结构的超纤维有序体,介于各向异性晶体(有序周期结构)和各向同性液体(无规结构)之间近似液晶结 构,如角膜和鱼鳞中的薄层结构类似胆甾相液晶,腱的波状结构相似于预胆甾相液晶排列。动物体内许 C1994-2013ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
图１ 偏振光显微镜（ＰＬＭ）观察不同结缔组织胶原纤维的形态［１０～１１］ ａ．角膜或鱼鳞的层状结构；ｂ．骨单位中的胆甾相液晶；ｃ．腱中波状结构的预胆甾相液晶；ｄ．真皮中网状结构 Ｆｉｇｕｒｅ１ ＣｏｌｌａｇｅｎｂｒｉｌｌａｒａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓｉｎｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｎｅｃｔｉｖｅｔｉｓｓｕｅｓｂｙＰＬＭ （ａ）ｓｈｓｃａｌｅｏｒｔｈｅｃｏｒｎｅａ；（ｂ）ｂｏｎｅｏｓｔｅｏｎ；（ｃ）ｔｅｎｄｏｎ（ｃｒｉｍｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）；（ｄ）ｄｅｒｍｉｓｏｆｓｋｉｎ 结构生物学研究表明，体现结缔组织各种生物物理性能的是超分子胶原液晶结构，其结构基础是动 物体内最丰富的纤维蛋白分子Ι型胶原。迄今为止，通过电子显微镜（ＥＭ）和 Ｘ 射线衍射（ＸＲＤ）等研究 发现，典型的胶原复杂层次结构（如图２所示）表现为，五个胶原分子首先组装为微纤维（ｍｉｃｒｏｆｉｂｒｉｌ），微 纤维组装成类似六边形晶体的原纤维（ｆｉｂｒｉｌ）［１２］，原纤维再组装成纤维（ｆｉｂｅｒ）或纤维束（ｆｉｂｅｒｂｕｎｄｌｅ）等 大聚集体，进而形成组织和器官。 图２ 腱的层次结构［１３］ Ｆｉｇｕｒｅ２ Ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅｆｉｂｒｉｌｐａｃｋｉｎｇｉｎｔｈｅｔｅｎｄｏｎ 尽管各种组织的结构与性能随胶原蛋白超纤维层次结构和量的变化而不同，但以Ⅰ型胶原分子为基 本结构的超纤维有序体，介于各向异性晶体（有序周期结构）和各向同性液体（无规结构）之间近似液晶结 构，如角膜和鱼鳞中的薄层结构类似胆甾相液晶，腱的波状结构相似于预胆甾相液晶排列。动物体内许 第８期 高 分 子 通 报 · ７３ ·
2013年8月 多组织和器官都具有液晶特征[1,是以软物质(如皮)或硬物质(如骨)形式存在生物体内的生物液晶 目前对体内结缔组织细胞调控胶原超纤维形成生物液晶的机理了解不多,在体外用重建胶原分子 ( reconstituted collagen)模拟方式已取得进展,其目的是对相应组织的发生、发育、病理结构及组织工程 重建等研究提供有益信息。 2最基本的自组装产物原胶原分子 结缔组织中胶原超纤维有序特征与原胶原( procollagen)分子的特殊结构密切相关,然而原胶原分子 本身也是自组装产物。胶原蛋白是一个大家族,迄今文献已报道27种胶原分子。以体内含量最丰富的 I型胶原为例,由三条各含1052个氨基酸的多肽链扭曲而成,分子结构表示为[an(I)]2a2(I)。与功能相 关的蛋白质空间结构由肽链间组装实现,丰富多彩的蛋白质空间结构构成,有的只有一条多肽链(例如肌 红蛋白),有的两条(如胰岛素)、三条(如原胶原分子,见图3),甚至多条多肽链(如血红蛋白分子有四条 多肽链)等。但大多数蛋白质的同一条多肽链中,氨基酸一般不会有周期性的重复顺序,原胶原分子域的 肽链中却有Gly-X-Y三肽的高重复序列存在。在空间位阻和非共价键力的共同作用下,不但促使左手a 螺旋的单肽链形成,也留下α-肽链进一步组装成右手超三螺旋结构的余地。 三重螺旋结构是一种错位的结构,来自三条肽链的Gly残基沿着螺旋的中心轴堆积(如图4所示) 在三维空间上,一条链上的Gly处于和其它两条链的X和Y残基相邻的位置,因而使三条a肽链中的 Gly、X、Y残基位于同一水平上。借每个Gly残基中的N一H(氮氢键)与另一条肽链上相连的X残基上 的C=O形成牢固的氢键,由于Hyp残基的羟基通过与水形成氢键,三重螺旋结构得到了稳定和增强 同时原胶原分子端肽链间的共价键(如一S—S—)交联是稳定三螺旋结构的进一步作用力。因此,原胶原 分子三螺旋结构是空间位阻、非共价键力及共价键交联等作用下肽链间自组装成更稳定结构的结果,得 到的是一个具有手性、表面带有沟槽和很大长径比的棒状分子(分子长约300nm,直径约1.5nm)。 图3原胶原分子三螺旋结构域示意图 图4原胶原分子三螺旋投影示意图 Figure 3 Schematic illustration of triple helix igure 4 Schematic illt of triple helix domain for procollagen molecule projection for procollagen molecu 3胶原分子液晶 在酸性稀溶液中重建胶原分子无规地分布在溶剂中,得到各向同性的分散结构。随着浓度增加这个 稳定的分散结构变得不稳定,当超过某个临界浓度后分子向某种有序的状态——一向列相转变,得到各向 异性结构。随着胶原浓度进一步增加,胶原分子逐次发生向列相转变、预胆甾相起伏、胆甾相扭曲,如 图51所示。迄今为止在体外已发现胶原分子形成向列相、预胆甾相、胆甾相三种液晶结构:1。令人 惊讶的是,动物结缔组织中纤维的排列方式与体外变换浓度获得的胶原分子有序排列方式极其相似,真 皮中对齐的胶原束类似于分子向列相排列,腱中起伏原纤维规则的卷曲类似于预胆甾相2,角 C1994-2013ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
多组织和器官都具有液晶特征［１４］，是以软物质（如皮）或硬物质（如骨）形式存在生物体内的生物液晶。 目前对体内结缔组织细胞调控胶原超纤维形成生物液晶的机理了解不多，在体外用重建胶原分子 （ｒｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄｃｏｌｌａｇｅｎ）模拟方式已取得进展，其目的是对相应组织的发生、发育、病理结构及组织工程 重建等研究提供有益信息。 ２ 最基本的自组装产物原胶原分子 结缔组织中胶原超纤维有序特征与原胶原（ｐｒｏｃｏｌｌａｇｅｎ）分子的特殊结构密切相关，然而原胶原分子 本身也是自组装产物。胶原蛋白是一个大家族，迄今文献已报道２７种胶原分子。以体内含量最丰富的 Ⅰ型胶原为例，由三条各含１０５２个氨基酸的多肽链扭曲而成，分子结构表示为［α１（Ｉ）］２α２（Ｉ）。与功能相 关的蛋白质空间结构由肽链间组装实现，丰富多彩的蛋白质空间结构构成，有的只有一条多肽链（例如肌 红蛋白），有的两条（如胰岛素）、三条（如原胶原分子，见图３），甚至多条多肽链（如血红蛋白分子有四条 多肽链）等。但大多数蛋白质的同一条多肽链中，氨基酸一般不会有周期性的重复顺序，原胶原分子域的 肽链中却有 Ｇｌｙ－Ｘ－Ｙ 三肽的高重复序列存在。在空间位阻和非共价键力的共同作用下，不但促使左手α 螺旋的单肽链形成，也留下α－肽链进一步组装成右手超三螺旋结构的余地。 三重螺旋结构是一种错位的结构，来自三条肽链的 Ｇｌｙ残基沿着螺旋的中心轴堆积（如图４所示）。 在三维空间上，一条链上的 Ｇｌｙ处于和其它两条链的 Ｘ 和Ｙ 残基相邻的位置，因而使三条α肽链中的 Ｇｌｙ、Ｘ、Ｙ 残基位于同一水平上。借每个 Ｇｌｙ残基中的 Ｎ—Ｈ（氮氢键）与另一条肽链上相连的 Ｘ 残基上 的Ｃ Ｏ形成牢固的氢键，由于 Ｈｙｐ残基的羟基通过与水形成氢键，三重螺旋结构得到了稳定和增强。 同时原胶原分子端肽链间的共价键（如—Ｓ—Ｓ—）交联是稳定三螺旋结构的进一步作用力。因此，原胶原 分子三螺旋结构是空间位阻、非共价键力及共价键交联等作用下肽链间自组装成更稳定结构的结果，得 到的是一个具有手性、表面带有沟槽和很大长径比的棒状分子（分子长约３００ｎｍ，直径约１．５ｎｍ）。 图３ 原胶原分子三螺旋结构域示意图 Ｆｉｇｕｒｅ３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｒｉｐｌｅｈｅｌｉｘ ｄｏｍａｉｎｆｏｒｐｒｏｃｏｌｌａｇｅｎｍｏｌｅｃｕｌｅ 图４ 原胶原分子三螺旋投影示意图 Ｆｉｇｕｒｅ４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｒｉｐｌｅｈｅｌｉｘｉｎ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｆｏｒｐｒｏｃｏｌｌａｇｅｎｍｏｌｅｃｕｌｅ ３ 胶原分子液晶 在酸性稀溶液中重建胶原分子无规地分布在溶剂中，得到各向同性的分散结构。随着浓度增加这个 稳定的分散结构变得不稳定，当超过某个临界浓度后分子向某种有序的状态———向列相转变，得到各向 异性结构［１５］。随着胶原浓度进一步增加，胶原分子逐次发生向列相转变、预胆甾相起伏、胆甾相扭曲，如 图５［１６］所示。迄今为止在体外已发现胶原分子形成向列相、预胆甾相、胆甾相三种液晶结构［１７，１８］。令人 惊讶的是，动物结缔组织中纤维的排列方式与体外变换浓度获得的胶原分子有序排列方式极其相似，真 皮中对齐的胶原束类似于分 子向列相排列［１９］，腱中起伏原纤维规则的卷曲类似于预 胆甾相［２０］，角 · ８３ · 高 分 子 通 报 ２０１３年８月
第8期 高分子通报 膜[21-231和密质骨24-2中纤维之间的周期性旋转类似于胆甾相扭曲 Nematic Precholesteric Cholesteric 图5胶原分子液晶的结构变化[16 Figure 5 Structural changes of collagen molecular liquid crystals Giraud-guille等[进一步研究了酸性高浓度I型胶原的斜切面,用PLM观察到双折射周期性黑白 花纹如图6(5)所示,透射电镜(TEM)观察到每一个周期中的弧形图案,如图6(1)下部白色箭头所示。 显然这种周期性变化与胶原分子的某种排布方向有关,由此推测胶原分子在同一平面上平行排列,在不 同平面上胶原分子以连续的方式旋转如图6(②、③、④所示)。在PLM图中当胶原分子与平面平行时观 察到白色条纹,与平面垂直时观察到黑色条纹,与平面倾斜时对应灰色条纹。这时的酸性高浓度I型胶 原是以分子状态形成的胆甾相液晶。 P/2 TEM Different schematic representations PLM 图6胶原分子胆甾相液晶结构2 ①胶原凝胶斜切面的TEM图,白箭头表示同周期中分子层方向变化;②稳定的浓胶原中胆甾相结构。在平面上分子 优先取向排列,平面间沿着Z轴螺旋旋转。在溶液中以连续的方式而在凝胶中以不连续的方式;③表明分子取向的变化: (-)分子与平面平行;(1)分子的左边指向平面;(·)分子与平面垂直;(H)分子的右边指向平面;④简化图: 一)分子与平面平行:(·)分子与平面垂直;⑤胆甾相液晶溶液的PLM图。胆甾相轴由Z轴表示且P/2为半螺距。 Figure 6 Cholesteric liquid crystaline organization of collagen molecules(7) o Oblique section of a stabilized dense collagen gel as observed by TEM, the white arrows indicate the direction of the molecular layers in the same cycle: ( Scheme illustrating the cholesteric organization of the fibrils within the stabilized dense collagen gel. The fibrils are arranged on planes in preferential directions, Each plane helicoidally rotates with respect to the next along the z axis in a continuous way in solutions and with discretized angles in stabilized gels: ( Schematic illustration indicating the variation in orientation of the molecules: (- molecules are parallel to the plane; ( the left sides of the molecules point towards the plane:(.) molecules are perpendicular to the plane:(H) the right sides of the molecules point towards the plane: Reductive scheme indicating only the planes where the molecules are parallel ()or perpendicular (.) to the plane; Aspect of a cholesteric liquid crystalline solution is observed by polarized light icroscopy. The cholesteric axis is indicated by the taxis and P/2 is half of the pitch. C1994-2013ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
膜［２１～２３］和密质骨［２４～２６］中纤维之间的周期性旋转类似于胆甾相扭曲。 图５ 胶原分子液晶的结构变化［１６］ Ｆｉｇｕｒｅ５ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｎｇｅｓｏｆｃｏｌｌａｇｅｎｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｓ Ｇｉｒａｕｄ－Ｇｕｉｌｌｅ等［２７］进一步研究了酸性高浓度Ｉ型胶原的斜切面，用 ＰＬＭ 观察到双折射周期性黑白 花纹如图６（５）所示，透射电镜（ＴＥＭ）观察到每一个周期中的弧形图案，如图６（１）下部白色箭头所示。 显然这种周期性变化与胶原分子的某种排布方向有关，由此推测胶原分子在同一平面上平行排列，在不 同平面上胶原分子以连续的方式旋转如图６（②、③、④所示）。在 ＰＬＭ 图中当胶原分子与平面平行时观 察到白色条纹，与平面垂直时观察到黑色条纹，与平面倾斜时对应灰色条纹。这时的酸性高浓度Ｉ型胶 原是以分子状态形成的胆甾相液晶。 图６ 胶原分子胆甾相液晶结构［２７］ ①胶原凝胶斜切面的 ＴＥＭ 图，白箭头表示同周期中分子层方向变化；② 稳定的浓胶原中胆甾相结构。在平面上分子 优先取向排列，平面间沿着Ｚ轴螺旋旋转。在溶液中以连续的方式而在凝胶中以不连续的方式；③ 表明分子取向的变化： （－）分子与平面平行；（┤）分子的左边指向平面；（·）分子与平面垂直；（├）分子的右边指向平面；④简化图： （－）分子与平面平行；（·）分子与平面垂直；⑤ 胆甾相液晶溶液的 ＰＬＭ 图。胆甾相轴由Ｚ轴表示且 Ｐ／２为半螺距。 Ｆｉｇｕｒｅ６ Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｉｎｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｌｌａｇｅｎｍｏｌｅｃｕｌｅｓ［２７］ ① ＯｂｌｉｑｕｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆａｓｔａｂｉｌｉｚｅｄｄｅｎｓｅｃｏｌｌａｇｅｎｇｅｌａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙＴＥＭ，ｔｈｅｗｈｉｔｅａｒｒｏｗｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌａｙｅｒｓｉｎｔｈｅｓａｍｅｃｙｃｌｅ；② Ｓｃｈｅｍｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｎｇｔｈｅｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｉｂｒｉｌｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｄｅｎｓｅｃｏｌｌａｇｅｎｇｅｌ．Ｔｈｅｆｉｂｒｉｌｓａｒｅａｒｒａｎｇｅｄｏｎｐｌａｎｅｓｉｎｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．Ｅａｃｈｐｌａｎｅｈｅｌｉｃｏｉｄａｌｌｙｒｏｔａｔｅｓｗｉｔｈｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏｔｈｅｎｅｘｔａｌｏｎｇｔｈｅｚａｘｉｓｉｎａｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｙｉｎｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｎｄｗｉｔｈｄｉｓｃｒｅｔｉｚｅｄａｎｇｌｅｓｉｎｓｔａｂｉｌｉｚｅｄｇｅｌｓ；③ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌｅｓ：（－）ｍｏｌｅｃｕｌｅｓａｒｅｐａｒａｌｌｅｌｔｏｔｈｅｐｌａｎｅ；（┤）ｔｈｅｌｅｆｔ ｓｉｄｅｓｏｆｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌｅｓｐｏｉｎｔｔｏｗａｒｄｓｔｈｅｐｌａｎｅ；（·）ｍｏｌｅｃｕｌｅｓａｒｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｔｏｔｈｅｐｌａｎｅ；（├）ｔｈｅｒｉｇｈｔｓｉｄｅｓｏｆｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓｐｏｉｎｔｔｏｗａｒｄｓｔｈｅｐｌａｎｅ；④ Ｒｅｄｕｃｔｉｖｅｓｃｈｅｍｅｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｏｎｌｙｔｈｅｐｌａｎｅｓｗｈｅｒｅｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌｅｓａｒｅｐａｒａｌｌｅｌ（－）ｏｒ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ（·）ｔｏｔｈｅｐｌａｎｅ；⑤ Ａｓｐｅｃｔｏｆａｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．Ｔｈｅｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃａｘｉｓｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｂｙｔｈｅｚ－ａｘｉｓａｎｄＰ／２ｉｓｈａｌｆｏｆｔｈｅｐｉｔｃｈ． 第８期 高 分 子 通 报 · ９３ ·
高分子通报 2013年8月 经典液晶理论认为分子长度、空间构型、分散相浓度是产生胆甾相液晶三个必备参数[。胶原分子 是一个刚性棒状分子,具有很大的长径比L/D=300m/1.5nm=200。高浓度时同层中棒状分子移动困 难,也很难交叉相互渗透,只有分子平行并分层排列为降低占有体积。出现层间扭曲源于胶原层间的空 间位阻,是高浓度分散体系层间接触造成[,表面带有沟槽及亲疏水基的手性分子层间堆积,决定了相 邻层之间的取向,以获得最大空间。 Neville首先提出胶原螺旋中分子构象和角度旋转之间的关系t,每 层产生平行且等距的凹槽,产生的凹槽有两种分布:第一种与原层平行,第二种与原层轴倾斜。由此第 二层分子排布方式有两种,排在三螺旋分子间的凹槽中,与初始的那层分子方向平行如图7a,或排在与 初始的那层倾斜成一个角度第二种凹槽中,倾斜排列产生扭曲组装如图7b所示。因此高浓度时与分子 手性有关的几何因素控制层之间取向的变化 图7胶原螺旋中分子构象和角度旋转之间的可能关系[2 Figure 7 Possible relations between molecular conformation and angular rotation in collagen helicoids[29) 在重建胶原液晶中也发现了平面扭曲和圆柱体扭曲两个主要类型的胆甾相扭曲(如图8所示)2 其中共轴的圆柱体扭曲即为螺旋状扭曲。这两种扭曲在动物结缔组织中角膜表现为平面扭曲,骨单位表 现为螺旋状扭曲。 分子液晶与超分子液晶转变 研究动物组织结构发现不同的结缔组织具有不同组织特异性超纤维结构,并且纤维的直径也不同, 显然构成结缔组织不是分子液晶( molecular liquid crystal)而是超分子液晶( super- molecular liquid crystal)。与其它分散体系一样,胶原溶液的稳定性与溶液浓度(C)、离子强度(Ⅰ)、pH值及温度(T)等动 力学条件密切相关[0,改变动力学条件分子间非共价作用力发生变化,都可能驱使胶原分子发生移动或 重排,产生不同液晶结构的聚集体 Besseau等在临界浓度至少为100mg/ml的酸性分散相中用PLM观察到指纹性花纹双折射t3(如 图9a所示),并且两个暗纹之间的距离为半胆甾相螺距,显示其分子取向为180°旋转(见图9b),这是胆 甾相液晶特征证据。用氨水蒸气提高粘弹性胶原溶液的pH值后,在室温下通过短程分子位移自组装形 成纤维,不干扰分子的远程顺序,胆甾相半间距(P/2)未作任何改变,得到稳定的胶原纤维液晶,如图9c 所示TEM观察到弧形花纹,但此时单体分子间连续的胆甾相扭曲转变为纤维之间不连续的扭曲。分子 液晶向超分子液晶转变过程如图10所示[。当中性条件诱导胶原分子发生自组装形成纤维时,生成的 纤维依然在每一个平面上平行取向排列,平面与平面之间的纤维以一个螺旋状的不连续的方式沿着Z轴 螺旋旋转,在溶液中以连续的方式而在稳定的凝胶中以不连续的方式,TEM在稳定的浓胶原溶液或凝胶 中可观察到具有弧形花纹分子或纤维构成的胆甾相结构如图6(1)和图9c所示 C1994-2013ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
经典液晶理论认为分子长度、空间构型、分散相浓度是产生胆甾相液晶三个必备参数［１７］。胶原分子 是一个刚性棒状分子，具有很大的长径比 Ｌ／Ｄ＝３００ｎｍ／１．５ｎｍ＝２００。高浓度时同层中棒状分子移动困 难，也很难交叉相互渗透，只有分子平行并分层排列为降低占有体积。出现层间扭曲源于胶原层间的空 间位阻，是高浓度分散体系层间接触造成［２８］，表面带有沟槽及亲疏水基的手性分子层间堆积，决定了相 邻层之间的取向，以获得最大空间。Ｎｅｖｉｌｌｅ首先提出胶原螺旋中分子构象和角度旋转之间的关系［２９］，每 一层产生平行且等距的凹槽，产生的凹槽有两种分布：第一种与原层平行，第二种与原层轴倾斜。由此第 二层分子排布方式有两种，排在三螺旋分子间的凹槽中，与初始的那层分子方向平行如图７ａ，或排在与 初始的那层倾斜成一个角度第二种凹槽中，倾斜排列产生扭曲组装如图７ｂ所示。因此高浓度时与分子 手性有关的几何因素控制层之间取向的变化。 图７ 胶原螺旋中分子构象和角度旋转之间的可能关系［２９］ Ｆｉｇｕｒｅ７ Ｐｏｓｓｉｂｌｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｍｏｌｅｃｕｌａｒｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄａｎｇｕｌａｒｒｏｔａｔｉｏｎｉｎｃｏｌｌａｇｅｎｈｅｌｉｃｏｉｄｓ［２９］ 在重建胶原液晶中也发现了平面扭曲和圆柱体扭曲两个主要类型的胆甾相扭曲（如图８所示）［２９］， 其中共轴的圆柱体扭曲即为螺旋状扭曲。这两种扭曲在动物结缔组织中角膜表现为平面扭曲，骨单位表 现为螺旋状扭曲。 ４ 分子液晶与超分子液晶转变 研究动物组织结构发现不同的结缔组织具有不同组织特异性超纤维结构，并且纤维的直径也不同， 显然构成 结 缔 组 织 不 是 分 子 液 晶 （ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌ）而 是 超 分 子 液 晶 （ｓｕｐｅｒ－ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）。与其它分散体系一样，胶原溶液的稳定性与溶液浓度（Ｃ）、离子强度（Ｉ）、ｐＨ 值及温度（Ｔ）等动 力学条件密切相关［３０］，改变动力学条件分子间非共价作用力发生变化，都可能驱使胶原分子发生移动或 重排，产生不同液晶结构的聚集体。 Ｂｅｓｓｅａｕ等在临界浓度至少为１００ｍｇ／ｍｌ的酸性分散相中用 ＰＬＭ 观察到指纹性花纹双折射［３１］（如 图９ａ所示），并且两个暗纹之间的距离为半胆甾相螺距，显示其分子取向为１８０°旋转（见图９ｂ），这是胆 甾相液晶特征证据。用氨水蒸气提高粘弹性胶原溶液的ｐＨ 值后，在室温下通过短程分子位移自组装形 成纤维，不干扰分子的远程顺序，胆甾相半间距（Ｐ／２）未作任何改变，得到稳定的胶原纤维液晶，如图９ｃ 所示 ＴＥＭ 观察到弧形花纹，但此时单体分子间连续的胆甾相扭曲转变为纤维之间不连续的扭曲。分子 液晶向超分子液晶转变过程如图１０所示［１８］。当中性条件诱导胶原分子发生自组装形成纤维时，生成的 纤维依然在每一个平面上平行取向排列，平面与平面之间的纤维以一个螺旋状的不连续的方式沿着 Ｚ轴 螺旋旋转，在溶液中以连续的方式而在稳定的凝胶中以不连续的方式，ＴＥＭ 在稳定的浓胶原溶液或凝胶 中可观察到具有弧形花纹分子或纤维构成的胆甾相结构如图６（１）和图９ｃ所示。 · ０４ · 高 分 子 通 报 ２０１３年８月
第8期 高分子通报 41· ·二·二 PLANAR TWIST CYLINDRICAL TWIST 图8胆甾相扭曲的两个模型 (a)在平面扭曲中,每一个平面上分子相互平行,平面间的方向规则旋转;(a’)胆甾相中分子取向变化,线代表分子与 所在平面平行;点代表分子与所化平面垂直;钉子代表斜位上的分子,点指向观察者;(b)圆柱状的扭曲,等距且平行的 螺旋在一系列共轴的圆柱体上,从一个圆柱体到另一个圆柱体螺旋规则旋转;(b’)胆甾相中分子取向变化 Figure8 Two major types of cholesteric twists[29 (a) In a planar twist, equidistant straight lines are drawn on horizontal planes, and the direction of the lines rotates regularly from plane to plane: (a') In the conventional notation for a cholesteric geometry applied to a planar twist lines represent molecules longitudinal to the drawing plane and dots represent molecules perpendicular to it: molecules in oblique position are represented by nails whose points are directed toward the observer: (b) In a cylindrical twist equidistant helices are drawn on a series of coaxial cylinders, and the angle of the helices rotates regularly from ne cylinder to the next:(b) Conventional representation of a cholesteric geometry applied to a cylindrical twist olecules 图9分子液晶PLM图和超分子液晶TEM图1 a.酸溶高浓度胶原的分子液晶PLM图,bar=5um;b.分子液晶取向图,P/2符合分子取向的180°旋转; c.中性高浓度胶原的超分子液晶TEM图,规则的弧形花纹,bar=05um。 Figure 9 Molecular liquid crystal by PLM and super-molecular liquid crystal by TEM1 (a)Scheme illustrating molecular liquid crystal observed by PlM in acid soluble collagen solution at high concentration, bar=5mm (b) Diagram of the orientation of molecular liquid crystal, P/2 corresponds to a 180 rotation of the molecular direction (c) Scheme illustrating supra-molecular liquid crystal observed by TEM in neutral collagen solution at high concentration, evidenced by regular series of arced patterns, is maintained. TEM, bar=0. 5mm C1994-2013ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
图８ 胆甾相扭曲的两个模型［２９］ （ａ）在平面扭曲中，每一个平面上分子相互平行，平面间的方向规则旋转；（ａ’）胆甾相中分子取向变化，线代表分子与 所在平面平行；点代表分子与所化平面垂直；钉子代表斜位上的分子，点指向观察者；（ｂ）圆柱状的扭曲，等距且平行的 螺旋在一系列共轴的圆柱体上，从一个圆柱体到另一个圆柱体螺旋规则旋转；（ｂ’）胆甾相中分子取向变化。 Ｆｉｇｕｒｅ８ Ｔｗｏｍａｊｏｒｔｙｐｅｓｏｆｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃｔｗｉｓｔｓ［２９］ （ａ）Ｉｎａｐｌａｎａｒｔｗｉｓｔ，ｅｑｕｉｄｉｓｔａｎｔｓｔｒａｉｇｈｔｌｉｎｅｓａｒｅｄｒａｗｎｏｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｐｌａｎｅｓ，ａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｉｎｅｓｒｏｔａｔｅｓ ｒｅｇｕｌａｒｌｙｆｒｏｍｐｌａｎｅｔｏｐｌａｎｅ；（ａ’）Ｉｎｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｎｏｔａｔｉｏｎｆｏｒａｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃｇｅｏｍｅｔｒｙａｐｐｌｉｅｄｔｏａｐｌａｎａｒｔｗｉｓｔ， ｌｉｎｅｓｒｅｐｒｅｓｅｎｔｍｏｌｅｃｕｌｅｓｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｔｏｔｈｅｄｒａｗｉｎｇｐｌａｎｅａｎｄｄｏｔｓｒｅｐｒｅｓｅｎｔｍｏｌｅｃｕｌｅｓｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｔｏｉｔ；ｍｏｌｅｃｕｌｅｓｉｎ ｏｂｌｉｑｕｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｒｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｂｙｎａｉｌｓｗｈｏｓｅｐｏｉｎｔｓａｒｅｄｉｒｅｃｔｅｄｔｏｗａｒｄｔｈｅｏｂｓｅｒｖｅｒ；（ｂ）Ｉｎａｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｔｗｉｓｔ， ｅｑｕｉｄｉｓｔａｎｔｈｅｌｉｃｅｓａｒｅｄｒａｗｎｏｎａｓｅｒｉｅｓｏｆｃｏａｘｉａｌｃｙｌｉｎｄｅｒｓ，ａｎｄｔｈｅａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｈｅｌｉｃｅｓｒｏｔａｔｅｓｒｅｇｕｌａｒｌｙｆｒｏｍ ｏｎｅｃｙｌｉｎｄｅｒｔｏｔｈｅｎｅｘｔ；（ｂ’）Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃｇｅｏｍｅｔｒｙａｐｐｌｉｅｄｔｏａｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｔｗｉｓｔ． 图９ 分子液晶 ＰＬＭ 图和超分子液晶 ＴＥＭ 图［３１］ ａ．酸溶高浓度胶原的分子液晶 ＰＬＭ 图，ｂａｒ＝５ｕｍ；ｂ．分子液晶取向图，Ｐ／２符合分子取向的１８０°旋转； ｃ．中性高浓度胶原的超分子液晶 ＴＥＭ 图，规则的弧形花纹，ｂａｒ＝０．５ｕｍ。 Ｆｉｇｕｒｅ９ ＭｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｂｙＰＬＭａｎｄｓｕｐｅｒ－ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｂｙＴＥＭ［３１］ （ａ）ＳｃｈｅｍｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｎｇｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙＰＬＭｉｎａｃｉｄｓｏｌｕｂｌｅｃｏｌｌａｇｅｎｓｏｌｕｔｉｏｎａｔｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｂａｒ＝５ｍｍ； （ｂ）Ｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌ，Ｐ／２ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓｔｏａ１８０°ｒｏｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎ； （ｃ）Ｓｃｈｅｍｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｎｇｓｕｐｒａ－ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙＴＥＭｉｎｎｅｕｔｒａｌｃｏｌｌａｇｅｎｓｏｌｕｔｉｏｎａｔｈｉｇｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｅｖｉｄｅｎｃｅｄｂｙｒｅｇｕｌａｒｓｅｒｉｅｓｏｆａｒｃｅｄｐａｔｔｅｒｎｓ，ｉｓｍａｉｎｔａｉｎｅｄ．ＴＥＭ，ｂａｒ＝０．５ｍｍ． 第８期 高 分 子 通 报 · １４ ·
4 2013年8月 Liquid crystal- neutralization Stabilized gel molecular aggregates collagen fibrils scree cholesteric twist 图10分子液晶向超分子液晶转变 胶原分子间连续扭曲和胶原原纤维间不连续扭曲,溶胶凝胶转变不改变半胆甾相间距 Figure 10 Transition from molecular liquid crystal to super-molecular liquid crystal After gelation point, the continuous twist between collagen monomers disrupts in discrete steps leading to the formation of a discontinuous twist between molecular aggregates or between collagen fibrils. The sohgel transition does not induce modi fi cation of the half cholesteric pitch. 胶原是两性分子,在pH值为酸性的溶液中胶原分子表面带有相同的电荷,与周围的反离子构成稳 定的双电层。同时大量H存在使胶原分子中的羰基被质子化,在胶原分子间形成>C=0……NHC=O存在,为形成分子间氢键>C一O…NH<创造了条件,胶原分子间能够自组装为纤维,溶 液由清亮变混浊;另一方面,等电点时净电荷为零,静电相互作用最小,分子间的疏水作用最强,靠着这种 作用力,胶原分子相互吸引形成更大的分子聚集体,最终形成沉淀或凝胶。这就是胶原溶液在酸性条件 下较稳定,而在中性条件下胶原分子将有序地排列,自组装为层状结构的胶原纤维的原因 因此,体外分子液晶与超分子液晶转变及与分散体系动力学条件变化和状态表述在图112中,这些 变化过程有的是可逆的,有的是不可逆的,取决于体系的热动力学平衡 5总结 胶原分子液晶及超分子液晶形成是一个熵致有序的过程,这个过程是由热、动力学条件和分子本身 特性决定。但是目前研究分子有序化及自组装超分子液晶时,选择基本分子是去端肽的重建胶原分子, 并不是含端肽的原胶原分子,未考虑端肽诱导分子有序性和自组装的影响,在体内端肽对原胶原分子有 序化具有不可忽视的作用。同时大多数结缔组织功能层中,胶原密度大于60mg/mL,体外获取如此高浓 度较困难,用这种极高粘度液体仿生构建超分子液晶仍在探索中。更进一步说,构成细胞外基质的其它 分子(如其它蛋白、糖蛋白、蛋白多糖等)以及结缔组织细胞本身对胶原原纤维、纤维、纤维簇及组织构建 的调控机制还不清楚。尽管如此,胶原液晶结构对某些结缔组织细胞及干细胞生长、分化的影响已被体 外实验证明。 动物结缔组织的发生、发育及病变与结构和形态密切相关,结缔组织结构有序性在结缔组织发生过 程中尤为明显,液晶结构是胶原分子自组装得到胶原纤维或组织过程中的一个过渡态。通过体外诱导生 成稳定胶原液晶结构,对这个过渡态体外模拟研究,是体外模拟细胞外基质的关键,为研究结缔组织形态 C1994-2013ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
图１０ 分子液晶向超分子液晶转变［１８］ 胶原分子间连续扭曲和胶原原纤维间不连续扭曲，溶胶－凝胶转变不改变半胆甾相间距 Ｆｉｇｕｒｅ１０ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍ ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｔｏｓｕｐｅｒ－ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌ Ａｆｔｅｒｇｅｌａｔｉｏｎｐｏｉｎｔ，ｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｔｗｉｓｔｂｅｔｗｅｅｎｃｏｌｌａｇｅｎｍｏｎｏｍｅｒｓｄｉｓｒｕｐｔｓｉｎｄｉｓｃｒｅｔｅｓｔｅｐｓｌｅａｄｉｎｇｔｏｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｔｗｉｓｔｂｅｔｗｅｅｎｍｏｌｅｃｕｌａｒａｇｇｒｅｇａｔｅｓｏｒｂｅｔｗｅｅｎｃｏｌｌａｇｅｎｂｒｉｌｓ．Ｔｈｅｓｏｌ－ｇｅｌ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｄｏｅｓｎｏｔｉｎｄｕｃｅｍｏｄｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈａｌｆｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃｐｉｔｃｈ． 胶原是两性分子，在ｐＨ 值为酸性的溶液中胶原分子表面带有相同的电荷，与周围的反离子构成稳 定的双电层。同时大量 Ｈ＋ 存在使胶原分子中的羰基被质子化，在胶原分子间形成＞Ｃ Ｏ……ＮＨ＜ 氢键的机会较小，这两个特点都增加了胶原溶液的稳定性，阻止了胶原分子聚集。因此在酸性稀溶液条 件下，静电斥力的增加、胶原分子间的相互作用减弱，胶原的分子水合能力增加，不利于胶原分子聚集沉 淀或超分子形成。在酸性条件时增加胶原浓度，亲水及疏水基团总量也增多。此时，亲水基团作用效果 减弱，疏水基团的作用效果加强。总的结果是胶原分子由于疏水作用力增强而相互靠近，又由于正电荷 之间的斥力而相互远离，平衡的结果形成分子液晶。 如果中和酸性ｐＨ 值接近胶原分子的等电点时，一方面溶液中的［Ｈ＋ ］已非常小，胶原中的羰基主要 以＞Ｃ Ｏ 存在，为形成分子间氢键＞Ｃ Ｏ……ＮＨ＜创造了条件，胶原分子间能够自组装为纤维，溶 液由清亮变混浊；另一方面，等电点时净电荷为零，静电相互作用最小，分子间的疏水作用最强，靠着这种 作用力，胶原分子相互吸引形成更大的分子聚集体，最终形成沉淀或凝胶。这就是胶原溶液在酸性条件 下较稳定，而在中性条件下胶原分子将有序地排列，自组装为层状结构的胶原纤维的原因。 因此，体外分子液晶与超分子液晶转变及与分散体系动力学条件变化和状态表述在图１１［３２］中，这些 变化过程有的是可逆的，有的是不可逆的，取决于体系的热动力学平衡。 ５ 总结 胶原分子液晶及超分子液晶形成是一个熵致有序的过程，这个过程是由热、动力学条件和分子本身 特性决定。但是目前研究分子有序化及自组装超分子液晶时，选择基本分子是去端肽的重建胶原分子， 并不是含端肽的原胶原分子，未考虑端肽诱导分子有序性和自组装的影响，在体内端肽对原胶原分子有 序化具有不可忽视的作用。同时大多数结缔组织功能层中，胶原密度大于６０ｍｇ／ｍＬ，体外获取如此高浓 度较困难，用这种极高粘度液体仿生构建超分子液晶仍在探索中。更进一步说，构成细胞外基质的其它 分子（如其它蛋白、糖蛋白、蛋白多糖等）以及结缔组织细胞本身对胶原原纤维、纤维、纤维簇及组织构建 的调控机制还不清楚。尽管如此，胶原液晶结构对某些结缔组织细胞及干细胞生长、分化的影响已被体 外实验证明。 动物结缔组织的发生、发育及病变与结构和形态密切相关，结缔组织结构有序性在结缔组织发生过 程中尤为明显，液晶结构是胶原分子自组装得到胶原纤维或组织过程中的一个过渡态。通过体外诱导生 成稳定胶原液晶结构，对这个过渡态体外模拟研究，是体外模拟细胞外基质的关键，为研究结缔组织形态 · ２４ · 高 分 子 通 报 ２０１３年８月
第8期 高分子通报 43· Helices+Cone 0 1.5nm/ Fibrils o100 nm 图11胶原分子液晶、超分子液晶与溶液、凝胶之间的转变2 (a)在稀溶液中,胶原三螺旋分子排列无序,溶液具有流动性;(b)在浓溶液中,胶原三螺旋分子自组装形成 手性向列相或胆甾相排列,溶液具有流动性;(c)在浓凝胶中,胶原原纤维呈手性向列相或胆甾相有序排列 凝胶不具有流动性;(d)在稀凝胶中,胶原原纤维无序排列,凝胶不具有流动性 gure l1 Transitions among collagen molecular liquid crystal, super-molecular liquid crystal and solution, gel 333 (a)In dilute solution, the arrangement of collagen helices is disorder, and the solution has fluidity (b) in concentrated solution, collagen helices self-assemble into chiral nematic phase cholesteric phase, and the solution has fluidity; (c)in concentrated gel, collagen fibrils appear chiral nematic or cholesteric phase, the gel doe not have fluidity: (d) in dilute gel, collagen fibrils are disordered, the gel does not have fluidity 发生机制及病变模型建立了联系。因此,超分子胶原液晶研究仍然从生物化学和生物物理方向上向结缔 组织基本结构逼近。 参考文献 [1] GiraudGuille MM, Belamie E, Mosser G, Helary C, Gobeaux F, Vigier SC R. Chim, 2008, 11(3):245--252. [] Torbet J, Malbouyres M, Builles N, Justin V, Roulet M, Damour O, Oldberg A. Ruggiero F, Hulmes D J S. Biomaterials, 2007 28(29):4268~4276 L 3 Bigi A, Burghammer M, Falconi R, Koch MH J, Panzavolta S, Riekel C. J Struct Biol, 2001, 136(2): 137-143. L4 Giraud-Guille MM. Calcif Tissue Int, 1988, 42(3): 167-180. L5 Squier CA, Bausch W. Cell Tissue Res, 1984. 238(2):319--327 L6 Provenzano PP, vanderby R. Matrix Biol, 2006,25(2):71-84. [7 Yasui T, Tohno Y, Araki T J Biomed Opt, 2004, 9(2): 259-264. [8 Weiner S, Traub W, Wagner H D. J Struct Biol, 1999, 126(3):241-255 [9] Benjamin M, Kaiser E, Milz S. J Anat, 2008, 212(3):211-228. [10] Giraud-Guille MM, Mosser G, Belamie E. Curr Opin Colloid Interface Sci, 2008, 13(4):303-313. [11] Hulmes D J S. J Struct Biol, 2002, 137(1):2-10. [12 Hulmes D JS, Miller A. Nature, 1979, 282:878-880. [13 Nikolaeva T 1. Tiktopulo E 1, Il'yasova E N, Kuznetsova S M. Biophysics, 2007, 52(5):489-497. [14] BouligandYCR Chm,2008,11(3):281~296. [15] Belamie E, Mosser G, Gobeaux F, Giraud-Guille MM. J Phys: Condens Matter, 2006, 18(13): $$12s [16] Giraud-Guille MM, Besseau L. Conn Tissue Res, 1998, 37(3/4):183-193. [17 Giraud-Guille MM. J Mol Biol, 1992, 224(3):861--873 [18 Besseau L, Giraud-Guille MM. J Mol Biol, 1995, 251(2):197-202 [19] Melis P, Noorlander M L, van der Horst C MAM, van Noorden C J. Plast Reconstr Surg, 2002, 109(2):674-680 20] Silver F H, Freeman J W, Seehra G P. J Biomech, 2003, 36(10): 1529--1553. [211 Meek K M, Boote C. Prog Ret Eye Res, 2009, 28(5):369-392. [221 Trelstad R L, Coulombre A J. J Cell Biol, 1971, 50(3):840-858 [231 Daxer A, Fratzl P. Invest Ophth Visual Sci, 1997, 38(1):121-129. C1994-2013ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
图１１ 胶原分子液晶、超分子液晶与溶液、凝胶之间的转变［３２］ （ａ）在稀溶液中，胶原三螺旋分子排列无序，溶液具有流动性；（ｂ）在浓溶液中，胶原三螺旋分子自组装形成 手性向列相或胆甾相排列，溶液具有流动性；（ｃ）在浓凝胶中，胶原原纤维呈手性向列相或胆甾相有序排列， 凝胶不具有流动性；（ｄ）在稀凝胶中，胶原原纤维无序排列，凝胶不具有流动性 Ｆｉｇｕｒｅ１１ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓａｍｏｎｇｃｏｌｌａｇｅｎｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌ，ｓｕｐｅｒ－ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌａｎｄｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｇｅｌ［３２］ （ａ）Ｉｎｄｉｌｕｔｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｔｈｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｃｏｌｌａｇｅｎｈｅｌｉｃｅｓｉｓｄｉｓｏｒｄｅｒ，ａｎｄｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｈａｓｆｌｕｉｄｉｔｙ； （ｂ）ｉｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｃｏｌｌａｇｅｎｈｅｌｉｃｅｓｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｅｉｎｔｏｃｈｉｒａｌｎｅｍａｔｉｃｐｈａｓｅｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃｐｈａｓｅ，ａｎｄｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｈａｓｆｌｕｉｄｉｔｙ；（ｃ）ｉｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｇｅｌ，ｃｏｌｌａｇｅｎｆｉｂｒｉｌｓａｐｐｅａｒｃｈｉｒａｌｎｅｍａｔｉｃｏｒｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃｐｈａｓｅ，ｔｈｅｇｅｌｄｏｅｓ ｎｏｔｈａｖｅｆｌｕｉｄｉｔｙ；（ｄ）ｉｎｄｉｌｕｔｅｇｅｌ，ｃｏｌｌａｇｅｎｆｉｂｒｉｌｓａｒｅｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ，ｔｈｅｇｅｌｄｏｅｓｎｏｔｈａｖｅｆｌｕｉｄｉｔｙ． 发生机制及病变模型建立了联系。因此，超分子胶原液晶研究仍然从生物化学和生物物理方向上向结缔 组织基本结构逼近。 参考文献： ［１］ Ｇｉｒａｕｄ－ＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ，ＢｅｌａｍｉｅＥ，ＭｏｓｓｅｒＧ，ＨｅｌａｒｙＣ，ＧｏｂｅａｕｘＦ，ＶｉｇｉｅｒＳＣＲ．Ｃｈｉｍ，２００８，１１（３）：２４５～２５２． ［２］ ＴｏｒｂｅｔＪ，ＭａｌｂｏｕｙｒｅｓＭ，ＢｕｉｌｌｅｓＮ，ＪｕｓｔｉｎＶ，ＲｏｕｌｅｔＭ，ＤａｍｏｕｒＯ，ＯｌｄｂｅｒｇＡ，ＲｕｇｇｉｅｒｏＦ，ＨｕｌｍｅｓＤＪＳ．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００７， ２８（２９）：４２６８～４２７６． ［３］ ＢｉｇｉＡ，ＢｕｒｇｈａｍｍｅｒＭ，ＦａｌｃｏｎｉＲ，ＫｏｃｈＭ ＨＪ，ＰａｎｚａｖｏｌｔａＳ，ＲｉｅｋｅｌＣ．ＪＳｔｒｕｃｔＢｉｏｌ，２００１，１３６（２）：１３７～１４３． ［４］ Ｇｉｒａｕｄ－ＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ．ＣａｌｃｉｆＴｉｓｓｕｅＩｎｔ，１９８８，４２（３）：１６７～１８０． ［５］ ＳｑｕｉｅｒＣＡ，ＢａｕｓｃｈＷ．ＣｅｌｌＴｉｓｓｕｅＲｅｓ，１９８４，２３８（２）：３１９～３２７． ［６］ ＰｒｏｖｅｎｚａｎｏＰＰ，ＶａｎｄｅｒｂｙＲ．ＭａｔｒｉｘＢｉｏｌ，２００６，２５（２）：７１～８４． ［７］ ＹａｓｕｉＴ，ＴｏｈｎｏＹ，ＡｒａｋｉＴ．ＪＢｉｏｍｅｄＯｐｔ，２００４，９（２）：２５９～２６４． ［８］ ＷｅｉｎｅｒＳ，ＴｒａｕｂＷ，ＷａｇｎｅｒＨ Ｄ．ＪＳｔｒｕｃｔＢｉｏｌ，１９９９，１２６（３）：２４１～２５５． ［９］ ＢｅｎｊａｍｉｎＭ，ＫａｉｓｅｒＥ，ＭｉｌｚＳ．ＪＡｎａｔ，２００８，２１２（３）：２１１～２２８． ［１０］ Ｇｉｒａｕｄ－ＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ，ＭｏｓｓｅｒＧ，ＢｅｌａｍｉｅＥ．ＣｕｒｒＯｐｉｎＣｏｌｌｏｉｄＩｎｔｅｒｆａｃｅＳｃｉ，２００８，１３（４）：３０３～３１３． ［１１］ ＨｕｌｍｅｓＤＪＳ．ＪＳｔｒｕｃｔＢｉｏｌ，２００２，１３７（１）：２～１０． ［１２］ ＨｕｌｍｅｓＤＪＳ，ＭｉｌｌｅｒＡ．Ｎａｔｕｒｅ，１９７９，２８２：８７８～８８０． ［１３］ ＮｉｋｏｌａｅｖａＴＩ，ＴｉｋｔｏｐｕｌｏＥＩ，Ｉｌ’ｙａｓｏｖａＥ Ｎ，ＫｕｚｎｅｔｓｏｖａＳ Ｍ．Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃｓ，２００７，５２（５）：４８９–４９７．［１４］ＢｏｕｌｉｇａｎｄＹ ＣＲ． Ｃｈｉｍ，２００８，１１（３）：２８１～２９６． ［１５］ ＢｅｌａｍｉｅＥ，ＭｏｓｓｅｒＧ，ＧｏｂｅａｕｘＦ，Ｇｉｒａｕｄ－ＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ．ＪＰｈｙｓ：ＣｏｎｄｅｎｓＭａｔｔｅｒ，２００６，１８（１３）：Ｓ１１５～Ｓ１２９． ［１６］ Ｇｉｒａｕｄ－ＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ，ＢｅｓｓｅａｕＬ．ＣｏｎｎＴｉｓｓｕｅＲｅｓ，１９９８，３７（３／４）：１８３～１９３． ［１７］ Ｇｉｒａｕｄ－ＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ．ＪＭｏｌＢｉｏｌ，１９９２，２２４（３）：８６１～８７３． ［１８］ ＢｅｓｓｅａｕＬ，Ｇｉｒａｕｄ－ＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ．ＪＭｏｌＢｉｏｌ，１９９５，２５１（２）：１９７～２０２． ［１９］ ＭｅｌｉｓＰ，ＮｏｏｒｌａｎｄｅｒＭ Ｌ，ｖａｎｄｅｒＨｏｒｓｔＣ Ｍ Ａ Ｍ，ｖａｎＮｏｏｒｄｅｎＣＪ．ＰｌａｓｔＲｅｃｏｎｓｔｒＳｕｒｇ，２００２，１０９（２）：６７４～６８０． ［２０］ ＳｉｌｖｅｒＦＨ，ＦｒｅｅｍａｎＪＷ，ＳｅｅｈｒａＧＰ．ＪＢｉｏｍｅｃｈ，２００３，３６（１０）：１５２９～１５５３． ［２１］ ＭｅｅｋＫ Ｍ，ＢｏｏｔｅＣ．ＰｒｏｇＲｅｔＥｙｅＲｅｓ，２００９，２８（５）：３６９～３９２． ［２２］ ＴｒｅｌｓｔａｄＲＬ，ＣｏｕｌｏｍｂｒｅＡＪ．ＪＣｅｌｌＢｉｏｌ，１９７１，５０（３）：８４０～８５８． ［２３］ ＤａｘｅｒＡ，ＦｒａｔｚｌＰ．ＩｎｖｅｓｔＯｐｈｔｈＶｉｓｕａｌＳｃｉ，１９９７，３８（１）：１２１～１２９． 第８期 高 分 子 通 报 · ３４ ·
44 高分子通报 2013年8月 [24 Weiner S, Wagner H D. Annu Rev Mater Sci. 1998, 28(1):271-298. 25] Giraud-Guille MM. Calcif Tissue Int, 1988, 42(3):167-180 S Giraud-Guille MM, Besseau L, Martin R. J Biomech, 2003, 36(10): 1571-1579 [271 Mosser G, Anglo A, Helary C, Bouligand Y, Giraud-Guille MM. Matrix Biol, 2006, 25(1):3-13. [29] Cowin S C. J Non-Newtonian Fluid Mech, 2004, 119(1): 155-162. [30] Gobeaux F, Mosser G, Anglo A, Panine P, Davidson P, Giraud-Guille MM, Belamie E. J Mol Biol, 2008, 376(5): 1509--1522. [31] Giraud Guille MM, Mosser G, Helary C, Eglin D. Micron, 2005, 36(7): 602-608 [32] Eglin D, Mosser G, GiraudGuille MM, Livage J, Coradin T. Soft Matter, 2005, 1(2):129-131. Progress on Structures of Supermolecular Collagenous Liquid Crystal in Animal Connective Tissue LI LHli, CHEN Lu, LI Xia, SUN Peng.2., HAO Na, JIANG Bo' (l National Engineering Research Center for Biomaterials, Engineering Research Center in Biomaterials, Sichuan University, Chengdu 610064, Chin 2. Key laboratory for Radiation Physics and Technology of the Ministry of Education, Institute of Nuclear Science and Technology, Sichuan University, Chengdu 610064, China; 3. De partment of Mathematics and Physics, Officers College of CAPF, Chengdu 610213, China) Abstract: The occurrence, development and pathological changes of animal connective tissue are closely related to their structures and morphologies, and particularly the orderliness on the structure of tissue is apparent, liquid crystalline structures of collagen in connective tissue are a transition state that collagen molecules self-assemble into collagen fibers or tissue. Based on reconstituted collagen molecules, we have discussed that triple helical structure has an impact on collagen molecules assembling into liquid crystal, and have analyzed research progress on structural transformation of collagen molecular liquid crystal and super-molecular liquid crystal, as well as thermal and dynamic forming conditions. Inducing the formation of collagen liquid crystal is the key to simulate construction of the extracellular matrix in vitro. It not only established contact for studying the mechanisms of connective tissue morphogenesis and pathological process, but also provided useful information for building tissue engineering scaffolds. Key words: Collagen molecules: Entropy induced order: Molecular liquid crystal: Super molecular liquid crystal Connective tisst C1994-2013ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
［２４］ ＷｅｉｎｅｒＳ，ＷａｇｎｅｒＨ Ｄ．ＡｎｎｕＲｅｖＭａｔｅｒＳｃｉ，１９９８，２８（１）：２７１～２９８． ［２５］ Ｇｉｒａｕｄ－ＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ．ＣａｌｃｉｆＴｉｓｓｕｅＩｎｔ，１９８８，４２（３）：１６７～１８０． ［２６］ Ｇｉｒａｕｄ－ＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ，ＢｅｓｓｅａｕＬ，ＭａｒｔｉｎＲ．ＪＢｉｏｍｅｃｈ，２００３，３６（１０）：１５７１～１５７９． ［２７］ ＭｏｓｓｅｒＧ，ＡｎｇｌｏＡ，ＨｅｌａｒｙＣ，ＢｏｕｌｉｇａｎｄＹ，Ｇｉｒａｕｄ－ＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ．ＭａｔｒｉｘＢｉｏｌ，２００６，２５（１）：３～１３． ［２８］ ＰａｒｋｉｎｓｏｎＪ，ＫａｄｌｅｒＫＥ，ＢｒａｓｓＡ．ＪＭｏｌＢｉｏｌ，１９９５，２４７（４）：８２３～８３１． ［２９］ ＣｏｗｉｎＳＣ．ＪＮｏｎ－ＮｅｗｔｏｎｉａｎＦｌｕｉｄＭｅｃｈ，２００４，１１９（１）：１５５～１６２． ［３０］ ＧｏｂｅａｕｘＦ，ＭｏｓｓｅｒＧ，ＡｎｇｌｏＡ，ＰａｎｉｎｅＰ，ＤａｖｉｄｓｏｎＰ，Ｇｉｒａｕｄ－ＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ，ＢｅｌａｍｉｅＥ．ＪＭｏｌＢｉｏｌ，２００８，３７６（５）：１５０９～１５２２． ［３１］ ＧｉｒａｕｄＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ，ＭｏｓｓｅｒＧ，ＨｅｌａｒｙＣ，ＥｇｌｉｎＤ．Ｍｉｃｒｏｎ，２００５，３６（７）：６０２～６０８． ［３２］ ＥｇｌｉｎＤ，ＭｏｓｓｅｒＧ，Ｇｉｒａｕｄ－ＧｕｉｌｌｅＭ Ｍ，ＬｉｖａｇｅＪ，ＣｏｒａｄｉｎＴ．ＳｏｆｔＭａｔｔｅｒ，２００５，１（２）：１２９～１３１． ＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆＳｕｐｅｒｍｏｌｅｃｕｌａｒＣｏｌｌａｇｅｎｏｕｓＬｉｑｕｉｄ ＣｒｙｓｔａｌｉｎＡｎｉｍａｌＣｏｎｎｅｃｔｉｖｅＴｉｓｓｕｅ ＬＩＬｉ－ｌｉ１，ＣＨＥＮＬｕ１，ＬＩＸｉａ１，ＳＵＮＰｅｎｇ１，２，３，ＨＡＯ Ｎａ１，ＪＩＡＮＧＢｏ１＊ （１．ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＢｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｉｎ Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００６４，Ｃｈｉｎａ； ２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＲａｄｉａｔｉｏｎＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｕｃｌｅａｒ ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００６４，Ｃｈｉｎａ； ３．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＯｆｆｉｃｅｒｓＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣＡＰＦ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０２１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｐａｔｈｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｎｇｅｓｏｆａｎｉｍａｌｃｏｎｎｅｃｔｉｖｅｔｉｓｓｕｅａｒｅｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｉｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ，ａｎｄｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｔｈｅｏｒｄｅｒｌｉｎｅｓｓｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｉｓｓｕｅｉｓａｐｐａｒｅｎｔ，ｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｃｏｌｌａｇｅｎｉｎｃｏｎｎｅｃｔｉｖｅｔｉｓｓｕｅａｒｅａｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓｔａｔｅｔｈａｔｃｏｌｌａｇｅｎｍｏｌｅｃｕｌｅｓｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｅｉｎｔｏｃｏｌｌａｇｅｎｆｉｂｅｒｓｏｒ ｔｉｓｓｕｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｒｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄｃｏｌｌａｇｅｎｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，ｗｅｈａｖｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈａｔｔｒｉｐｌｅｈｅｌｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｓａｎｉｍｐａｃｔｏｎｃｏｌｌａｇｅｎ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｉｎｔｏｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌ，ａｎｄｈａｖｅａｎａｌｙｚｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃｏｌｌａｇｅｎ ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌａｎｄｓｕｐｅｒ－ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｒｍａｌａｎｄｄｙｎａｍｉｃｆｏｒｍｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｎｄｕｃｉｎｇｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃｏｌｌａｇｅｎｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｉｓｔｈｅｋｅｙｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｍａｔｒｉｘｉｎｖｉｔｒｏ．Ｉｔｎｏｔｏｎｌｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｃｏｎｔａｃｔｆｏｒｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｖｅｔｉｓｓｕｅ ｍｏｒｐｈｏｇｅｎｅｓｉｓａｎｄｐａｔｈｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｕｔａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅｄｕｓｅｆｕｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒｂｕｉｌｄｉｎｇｔｉｓｓｕｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｃａｆｆｏｌｄｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏｌｌａｇｅｎ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ；Ｅｎｔｒｏｐｙｉｎｄｕｃｅｄｏｒｄｅｒ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌ；Ｓｕｐｅｒ－ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌ； Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｅｔｉｓｓｕｅ · ４４ · 高 分 子 通 报 ２０１３年８月