一、研究背景

相分離是一個(gè)持續(xù)相關(guān)的話題，其本質(zhì)是在異質(zhì)系統(tǒng)中從無(wú)序中產(chǎn)生有序。相分離可由不同的刺激觸發(fā)，發(fā)生在各種自然和合成過渡過程中，包括純化、分隔和物質(zhì)交換。為了使自由能最小化，某些膠體可以分解成兩個(gè)共存相，從而達(dá)到平衡。具體來(lái)說(shuō)，各向異性顆粒的分散體在超過臨界濃度時(shí)會(huì)發(fā)生相分離，這被稱為液晶相分離（LCPS），它在現(xiàn)代材料科學(xué)中有著巨大的潛力和廣泛的應(yīng)用。在另一個(gè)領(lǐng)域，均相大分子溶液中的液-液相分離（LLPS）是生物系統(tǒng)中的一個(gè)突出現(xiàn)象，因?yàn)樗趯?shí)現(xiàn)細(xì)胞功能和創(chuàng)造生物體細(xì)微結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用。此外，這兩種轉(zhuǎn)變可以相互關(guān)聯(lián)：例如，在真核細(xì)胞中，膜是由脂質(zhì)分子的液相分離形成的，而核仁則是由蛋白質(zhì)的液相分離凝聚而成的。

LCPS分為上部各向同性相和底部有序各向異性相，其驅(qū)動(dòng)力來(lái)自粒子取向熵和排除體積堆積熵之間的相互作用，其中邊界條件受粒子縱橫比的制約（圖1a）。相比之下，LLPS 的基本驅(qū)動(dòng)力是基于不同成分之間的相互作用，在焓和熵之間進(jìn)行權(quán)衡，以實(shí)現(xiàn)能量最小化。LLPS 由相平衡控制，而相平衡取決于溫度、pH 值和/或成分等因素（圖 1b）。一旦發(fā)生相分離，形成的液滴隔室就會(huì)表現(xiàn)出不同的物理特性，并呈現(xiàn)出不同的膠體狀態(tài)，如凝膠、玻璃或晶體。將 LCPS 和 LLPS 融合到一個(gè)合成系統(tǒng)中的嘗試還很少見，不過如果利用 LLPS 的物理觸發(fā)因素（如溫度）來(lái)控制它們的自組裝行為，將大大提高 LCPS 的可調(diào)性。

二、研究成果

在本研究中，阿爾托大學(xué)?Eero Kontturi團(tuán)隊(duì)報(bào)告了在四組分軟物質(zhì)體系中利用膽甾醇液晶組裝實(shí)現(xiàn)多相分離的熱力學(xué)控制方法。具體來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)由纖維素納米晶體（CNCs）、聚乙二醇（PEG）和葡聚糖的水性混合物組成。纖維素納米晶體（CNCs）是通過酸水解從植物細(xì)胞壁中分離出來(lái)的剛性、多分散的桿狀納米顆粒。它們的膠體穩(wěn)定性和自組裝能力已被廣泛研究，可通過三角體的成核形成左旋膽甾醇液晶相。LCPS 產(chǎn)生的水-水界面在頂部各向同性相和底部各向異性相之間表現(xiàn)出超低的界面張力。另一方面，PEG 和葡聚糖因形成二元聚合物混合物而聞名，它們會(huì)經(jīng)歷一個(gè)可逆的 LLPS 過渡過程。耐人尋味的是，這種 LLPS 對(duì)溫度很敏感：當(dāng) PEG-葡聚糖成分從單相轉(zhuǎn)變到相圖中有利于相分離的區(qū)域時(shí)，冷卻會(huì)觸發(fā)這種轉(zhuǎn)變。這樣，成分處于中間區(qū)域的 PEG-葡聚糖溶液就能在低溫下分離成兩相，并在溫度升高時(shí)重新混合成均相狀態(tài)（圖 1c、d）。在 CNC 懸浮液的 LCPS 或 PEG-葡聚糖溶液的 LLPS 中添加客體添加劑的影響和膠體行為已被廣泛研究，在這兩種體系相互混合的情況下也是如此。在此之前，他們已經(jīng)確定了 CNC 納米粒子可以在 PEG 和葡聚糖的存在下保持其膽甾醇秩序，而由此產(chǎn)生的兩種 CNC 聚合物分散體在混合時(shí)是不相溶的，從而產(chǎn)生了由分層 CNC 組合體組成的水包水乳液。然而，目前還沒有任何材料可用于創(chuàng)建和研究同時(shí)具有納米粒子的濃度依賴性 LCPS 和聚合物的溫度敏感性 LLPS 特點(diǎn)的異質(zhì)膠體系統(tǒng)。相關(guān)研究工作以“Thermodynamically controlled multiphase?separation of heterogeneous liquid crystal colloids”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Communications》上。祝賀！

三、圖文速遞

在水懸浮液中，CNC 納米粒子（長(zhǎng)度為 195 ± 54 nm，寬度為 9 ± 2 nm）因其強(qiáng)大的陰離子表面電荷（Zeta 電位為 -50 mV）而單獨(dú)產(chǎn)生純粹的排斥相互作用。在臨界濃度以上，CNCs 表現(xiàn)出宏觀液晶行為，具有底部高密度膽甾醇相和上部低密度各向同性相。在這種含水CNC聚合物混合物中，CNC與聚合物線圈共同組裝成膽甾醇型組織，并在每個(gè)納米棒周圍形成一個(gè)聚合物耗盡區(qū)域。由于聚合物鏈的柔性和膨脹構(gòu)象，當(dāng)加熱膽甾醇 CNC 聚合物混合物時(shí)，所產(chǎn)生的膽甾醇相的各向異性體積分?jǐn)?shù)和螺距都會(huì)略微減小，這可能是由于 CNC 之間的吸引力耗竭相互作用發(fā)生了變化。

在實(shí)現(xiàn)多相分離的實(shí)驗(yàn)中，他們使用了由不同濃度的CNCs、PEG 和葡聚糖組成的四組分水混合物。他們首先使用固定的 PEG-葡聚糖比率（3.75-4.25 wt%）檢驗(yàn)了聚合物的 LLPS 對(duì) CNCs 的 LCPS 行為的影響，而 CNC 的濃度則在 0 至 6 wt% 之間調(diào)整。為了探索 LLPS 和 LCPS 之間的相互作用，他們選擇性地限制了 LLPS 過程，將 PEG-葡聚糖的混溶比例設(shè)定為 3.75-3.5 wt%，并逐漸增加 CNC 濃度以實(shí)現(xiàn) LCPS 過程。為了量化 LLPS 和 LCPS 之間的相互作用，他們固定了 CNC-PEG 的濃度（6-3.75 wt%），并在不同溫度下調(diào)整了兩種關(guān)鍵聚合物組合物的葡聚糖濃度。根據(jù)葡聚糖濃度的不同，獲得的混合物在 21 °C 時(shí)呈現(xiàn)三相堆積，在 50 °C 時(shí)呈現(xiàn)兩相或四相堆積。在所研究的所有相堆積中，各向異性相的總體積分?jǐn)?shù)都略有增加，并沒有隨著時(shí)間的推移而變粗，這表明它們是平衡的膠體組件。相比之下，溫度會(huì)改變各向異性相的體積分?jǐn)?shù)，這可歸因于與尺寸相關(guān)的聚合物耗竭效應(yīng)。

有了對(duì)多相分離動(dòng)力學(xué)的了解，他們隨后通過調(diào)節(jié) CNC 濃度實(shí)現(xiàn)了以 LLPS 為介導(dǎo)的 LCPS 耦合過程。圖 6 顯示了不同 CNC-PEG-葡聚糖比例（4-3.75-3.5 和 6-3.75-3.5（wt%））下多相分離的兩個(gè)代表性時(shí)間演變過程。當(dāng) CNC 濃度較低時(shí)，所得到的膠體懸浮液在室溫下分離為兩相，上層為各向同性相，下層為膽甾醇相。然而，當(dāng)溫度升高到 50 ℃ 時(shí)，懸浮液仍保持均勻，這表明溫度驅(qū)動(dòng)的相分離對(duì)應(yīng)于 LLPS 和 LCPS。由此得出的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)與 CNC 的 LCPS 動(dòng)力學(xué)趨勢(shì)相似，表明 LCPS 在多相分離過程中起主導(dǎo)作用。通過選擇性地用異硫氰酸熒光素（FITC）分子對(duì)葡聚糖進(jìn)行染色標(biāo)記（FITC-葡聚糖，Mw = 500 kDa），進(jìn)一步了解了 CNCs 與聚合物之間的膠體自組裝。通過差分干涉對(duì)比和熒光模式觀察，證實(shí)了 LLPS-LCPS 的耦合過程。他們從各向同性的背景中分辨出了右旋糖酐分子的典型成核，其中富含 CNC 膽甾醇三角體。三角體通過合并變大，并最終向下沉淀到體相中。這是因?yàn)楦缓暇厶堑娜堑鞍酌芏雀哂诟缓?PEG 的分散介質(zhì)，而沉降速度受斯托克斯定律支配。因此，在三角蛋白沉積的驅(qū)動(dòng)下，LLPS-LCPS 耦合轉(zhuǎn)變導(dǎo)致底部出現(xiàn)富含葡聚糖的膽甾醇相，上部出現(xiàn)富含 PEG 的各向同性相。

四、結(jié)論與展望

總之，他們已經(jīng)彌合了聚合物的LLPS和納米顆粒的LCPS之間的差距，以實(shí)現(xiàn)具有熱力學(xué)控制相行為的多相分離。當(dāng) CNC-PEGdextran 水性混合物處于平衡狀態(tài)時(shí)，CNC 會(huì)通過成核和三角晶的生長(zhǎng)沉積到膽甾醇液晶相中，而這兩種聚合物則表現(xiàn)出可調(diào)的混溶性，并為 CNC 手性自組裝創(chuàng)造了一個(gè)可滲透的界面。利用溫度的影響，他們展示了一種反應(yīng)靈敏的相共存行為，LLPS 和 LCPS 的相互作用產(chǎn)生了豐富的液晶堆疊。此外，對(duì)多相分離演化的系統(tǒng)分析表明，LLPS 和 LCPS 過程的路徑各不相同，既可以相互獨(dú)立，也可以相互耦合。在干燥四組份混合物后，得到了聚合物分布不均的分層膽甾醇膜，呈現(xiàn)出分層多孔結(jié)構(gòu)和白色外觀。他們的研究結(jié)果為設(shè)計(jì)新型異質(zhì)復(fù)雜膠體系統(tǒng)提供了一個(gè)前景廣闊的平臺(tái)，這些系統(tǒng)的功能可模仿和匹配生物學(xué)中觀察到的功能。

文獻(xiàn)鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41054-7