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……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 ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｔｗｉｓｔｂｅｔｗｅｅｎｍｏｌｅｃｕｌａｒａｇｇｒｅｇａｔｅｓｏｒｂｅｔｗｅｅｎｃｏｌｌａｇｅｎｂｒｉｌｓ．Ｔｈｅｓｏｌ－ｇｅｌ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｄｏｅｓｎｏｔｉｎｄｕｃｅｍｏｄｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈａｌｆｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃｐｉｔｃｈ． 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