《Nat. Commun.》：异质液晶胶体

一、研究背景

相分离是一个持续相关的话题，其本质是在异质系统中从无序中产生有序。相分离可由不同的刺激触发，发生在各种自然和合成过渡过程中，包括纯化、分隔和物质交换。为了使自由能最小化，某些胶体可以分解成两个共存相，从而达到平衡。具体来说，各向异性颗粒的分散体在超过临界浓度时会发生相分离，这被称为液晶相分离（LCPS），它在现代材料科学中有着巨大的潜力和广泛的应用。在另一个领域，均相大分子溶液中的液-液相分离（LLPS）是生物系统中的一个突出现象，因为它在实现细胞功能和创造生物体细微结构方面发挥着主导作用。此外，这两种转变可以相互关联：例如，在真核细胞中，膜是由脂质分子的液相分离形成的，而核仁则是由蛋白质的液相分离凝聚而成的。

LCPS分为上部各向同性相和底部有序各向异性相，其驱动力来自粒子取向熵和排除体积堆积熵之间的相互作用，其中边界条件受粒子纵横比的制约（图1a）。相比之下，LLPS 的基本驱动力是基于不同成分之间的相互作用，在焓和熵之间进行权衡，以实现能量最小化。LLPS 由相平衡控制，而相平衡取决于温度、pH 值和/或成分等因素（图 1b）。一旦发生相分离，形成的液滴隔室就会表现出不同的物理特性，并呈现出不同的胶体状态，如凝胶、玻璃或晶体。将 LCPS 和 LLPS 融合到一个合成系统中的尝试还很少见，不过如果利用 LLPS 的物理触发因素（如温度）来控制它们的自组装行为，将大大提高 LCPS 的可调性。

二、研究成果

在本研究中，阿尔托大学 Eero Kontturi团队报告了在四组分软物质体系中利用胆甾醇液晶组装实现多相分离的热力学控制方法。具体来说，该系统由纤维素纳米晶体（CNCs）、聚乙二醇（PEG）和葡聚糖的水性混合物组成。纤维素纳米晶体（CNCs）是通过酸水解从植物细胞壁中分离出来的刚性、多分散的杆状纳米颗粒。它们的胶体稳定性和自组装能力已被广泛研究，可通过三角体的成核形成左旋胆甾醇液晶相。LCPS 产生的水-水界面在顶部各向同性相和底部各向异性相之间表现出超低的界面张力。另一方面，PEG 和葡聚糖因形成二元聚合物混合物而闻名，它们会经历一个可逆的 LLPS 过渡过程。耐人寻味的是，这种 LLPS 对温度很敏感：当 PEG-葡聚糖成分从单相转变到相图中有利于相分离的区域时，冷却会触发这种转变。这样，成分处于中间区域的 PEG-葡聚糖溶液就能在低温下分离成两相，并在温度升高时重新混合成均相状态（图 1c、d）。在 CNC 悬浮液的 LCPS 或 PEG-葡聚糖溶液的 LLPS 中添加客体添加剂的影响和胶体行为已被广泛研究，在这两种体系相互混合的情况下也是如此。在此之前，他们已经确定了 CNC 纳米粒子可以在 PEG 和葡聚糖的存在下保持其胆甾醇秩序，而由此产生的两种 CNC 聚合物分散体在混合时是不相溶的，从而产生了由分层 CNC 组合体组成的水包水乳液。然而，目前还没有任何材料可用于创建和研究同时具有纳米粒子的浓度依赖性 LCPS 和聚合物的温度敏感性 LLPS 特点的异质胶体系统。相关研究工作以“Thermodynamically controlled multiphase separation of heterogeneous liquid crystal colloids”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。祝贺！

三、图文速递

在水悬浮液中，CNC 纳米粒子（长度为 195 ± 54 nm，宽度为 9 ± 2 nm）因其强大的阴离子表面电荷（Zeta 电位为 -50 mV）而单独产生纯粹的排斥相互作用。在临界浓度以上，CNCs 表现出宏观液晶行为，具有底部高密度胆甾醇相和上部低密度各向同性相。在这种含水CNC聚合物混合物中，CNC与聚合物线圈共同组装成胆甾醇型组织，并在每个纳米棒周围形成一个聚合物耗尽区域。由于聚合物链的柔性和膨胀构象，当加热胆甾醇 CNC 聚合物混合物时，所产生的胆甾醇相的各向异性体积分数和螺距都会略微减小，这可能是由于 CNC 之间的吸引力耗竭相互作用发生了变化。

在实现多相分离的实验中，他们使用了由不同浓度的CNCs、PEG 和葡聚糖组成的四组分水混合物。他们首先使用固定的 PEG-葡聚糖比率（3.75-4.25 wt%）检验了聚合物的 LLPS 对 CNCs 的 LCPS 行为的影响，而 CNC 的浓度则在 0 至 6 wt% 之间调整。为了探索 LLPS 和 LCPS 之间的相互作用，他们选择性地限制了 LLPS 过程，将 PEG-葡聚糖的混溶比例设定为 3.75-3.5 wt%，并逐渐增加 CNC 浓度以实现 LCPS 过程。为了量化 LLPS 和 LCPS 之间的相互作用，他们固定了 CNC-PEG 的浓度（6-3.75 wt%），并在不同温度下调整了两种关键聚合物组合物的葡聚糖浓度。根据葡聚糖浓度的不同，获得的混合物在 21 °C 时呈现三相堆积，在 50 °C 时呈现两相或四相堆积。在所研究的所有相堆积中，各向异性相的总体积分数都略有增加，并没有随着时间的推移而变粗，这表明它们是平衡的胶体组件。相比之下，温度会改变各向异性相的体积分数，这可归因于与尺寸相关的聚合物耗竭效应。

有了对多相分离动力学的了解，他们随后通过调节 CNC 浓度实现了以 LLPS 为介导的 LCPS 耦合过程。图 6 显示了不同 CNC-PEG-葡聚糖比例（4-3.75-3.5 和 6-3.75-3.5（wt%））下多相分离的两个代表性时间演变过程。当 CNC 浓度较低时，所得到的胶体悬浮液在室温下分离为两相，上层为各向同性相，下层为胆甾醇相。然而，当温度升高到 50 ℃ 时，悬浮液仍保持均匀，这表明温度驱动的相分离对应于 LLPS 和 LCPS。由此得出的动力学数据与 CNC 的 LCPS 动力学趋势相似，表明 LCPS 在多相分离过程中起主导作用。通过选择性地用异硫氰酸荧光素（FITC）分子对葡聚糖进行染色标记（FITC-葡聚糖，Mw = 500 kDa），进一步了解了 CNCs 与聚合物之间的胶体自组装。通过差分干涉对比和荧光模式观察，证实了 LLPS-LCPS 的耦合过程。他们从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 胆甾醇三角体。三角体通过合并变大，并最终向下沉淀到体相中。这是因为富含葡聚糖的三角蛋白密度高于富含 PEG 的分散介质，而沉降速度受斯托克斯定律支配。因此，在三角蛋白沉积的驱动下，LLPS-LCPS 耦合转变导致底部出现富含葡聚糖的胆甾醇相，上部出现富含 PEG 的各向同性相。

四、结论与展望

总之，他们已经弥合了聚合物的LLPS和纳米颗粒的LCPS之间的差距，以实现具有热力学控制相行为的多相分离。当 CNC-PEGdextran 水性混合物处于平衡状态时，CNC 会通过成核和三角晶的生长沉积到胆甾醇液晶相中，而这两种聚合物则表现出可调的混溶性，并为 CNC 手性自组装创造了一个可渗透的界面。利用温度的影响，他们展示了一种反应灵敏的相共存行为，LLPS 和 LCPS 的相互作用产生了丰富的液晶堆叠。此外，对多相分离演化的系统分析表明，LLPS 和 LCPS 过程的路径各不相同，既可以相互独立，也可以相互耦合。在干燥四组份混合物后，得到了聚合物分布不均的分层胆甾醇膜，呈现出分层多孔结构和白色外观。他们的研究结果为设计新型异质复杂胶体系统提供了一个前景广阔的平台，这些系统的功能可模仿和匹配生物学中观察到的功能。

文献链接：

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