雙親性分子的自聚以及與納米粒子的相互作用.pdf

1、雙親性分子由于分子結(jié)構(gòu)同時(shí)包含親水的頭基和疏水的尾基，在溶劑中能夠自組裝成一些有序的結(jié)構(gòu)。這類大分子由于其特殊的性質(zhì)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甚至日常生活中有著重要而廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，大量的文獻(xiàn)從實(shí)驗(yàn)上和理論上都報(bào)道了關(guān)于雙親分子在不同條件下的聚集行為和在混合體系中的相行為。關(guān)于界面誘導(dǎo)的雙親分子的聚集行為，以及雙親分子自身結(jié)構(gòu)對(duì)其在界面上的聚集行為的影響，目前也開(kāi)始有文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)。
　　細(xì)胞膜，作為細(xì)胞的重要組成部分，是由一些特殊的

2、雙親分子即磷脂分子組成的。這種膜結(jié)構(gòu)在許多的細(xì)胞活動(dòng)過(guò)程中都發(fā)揮著重要的作用。例如，細(xì)胞間的信號(hào)傳導(dǎo)，細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)輸運(yùn)等。特別重要的是，隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，納米粒子被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的藥物載體，納米粒子藥物載體表現(xiàn)出高靶向性、循環(huán)周期長(zhǎng)以及副作用小等優(yōu)勢(shì)。另外，一些生物活性較好的雙親分子自聚而構(gòu)成的納米粒子也作為潛在的藥物載體，在納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注。因此了解生物膜的形變性質(zhì)以及其與外來(lái)納米粒子間的相互作用，

3、是納米醫(yī)學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵所在、也是揭開(kāi)生命領(lǐng)域神秘面紗的重要步驟。
　　然而，由于在真實(shí)的細(xì)胞體系中，細(xì)胞膜的組成和運(yùn)行機(jī)制是非常復(fù)雜的，并且時(shí)空尺度都很微小，這使得現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件和檢測(cè)技術(shù)都無(wú)法精確的判斷一些細(xì)胞活動(dòng)過(guò)程和機(jī)理。幸運(yùn)的是，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和物理模型的不斷完善，使得計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果越來(lái)越接近真實(shí)體系和實(shí)驗(yàn)值。從而使計(jì)算機(jī)模擬成為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)盲點(diǎn)的一個(gè)重要手段。
　　基于上述的原因，本文主要借助分子模擬

4、手段(主要是以耗散粒子動(dòng)力學(xué)(Dissipative Particle Dynamics，DPD)，晶格蒙特卡洛(Lattice MonteCarlo，LMC)和粗粒化分子動(dòng)力學(xué)(Coarse Grained Molecular Dynamic，CGMD)為主的粗粒化模擬），以雙親分子組成的雙層膜與小尺寸的納米粒子相互作用為對(duì)象進(jìn)行分子層面的機(jī)理模擬，并結(jié)合Helfrich彈性理論和一階微擾理論對(duì)一些模擬現(xiàn)象給出理論解釋。文章的主要研究

5、內(nèi)容集中在以下兩個(gè)方面:
　　1.納米粒子與雙親分子聚集體的相互作用。研究包括納米粒子表面曲率對(duì)雙親性分子自聚的影響機(jī)理，兩組分雙親分子聚集體的分相機(jī)理，以及表面疏水的納米粒子與磷脂雙分子層膜的相互作用和在膜內(nèi)的自聚機(jī)理等:
　　(1)針對(duì)納米粒子表面對(duì)雙親分子聚集的影響機(jī)理，本文采用晶格蒙特卡洛模擬并結(jié)合Helfrich彈性理論和簡(jiǎn)單的吸附理論，討論了納米粒子表面曲率以及雙親分子本身的結(jié)構(gòu)對(duì)雙親分子聚集體的影響。模擬發(fā)現(xiàn)當(dāng)

6、固體表面的曲率超過(guò)一個(gè)臨界值時(shí)，固體表面的曲率會(huì)影響吸附在其上的雙親分子聚集體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且會(huì)導(dǎo)致不同的形態(tài)轉(zhuǎn)變。并且雙親分子會(huì)在圓柱狀納米粒子上更容易形成柱狀膠束，這主要是由于柱面在局部曲率的軸向和徑向上的各向異性導(dǎo)致的。為了系統(tǒng)的考察固體表面曲率對(duì)雙親性分子聚集體的形態(tài)轉(zhuǎn)變的影響，我們建立了一個(gè)包含Helfrich彎曲能，粒子曲面引起聚集體形變的變形能以及吸附能的理論模型。通過(guò)理論模型的分析得出，當(dāng)納米粒子的曲率變大時(shí)，在主體相中

7、穩(wěn)定的雙分子層結(jié)構(gòu)的彎曲能會(huì)暴增，從而導(dǎo)致在高曲率的柱面上有一個(gè)從雙分子層結(jié)構(gòu)向柱形膠束的相轉(zhuǎn)變。這些結(jié)論可為設(shè)計(jì)有不同相互作用的納米粒子和雙親分子提供指導(dǎo)。
　　(2)在真實(shí)細(xì)胞體系中，細(xì)胞膜是由大量的不同類型的磷脂分子和一些蛋白質(zhì)組成的。在不同的細(xì)胞活動(dòng)過(guò)程中，這些不同類型的磷脂分子或是處于一個(gè)均相分散的狀態(tài)，或是處于某一組份寡聚/富集的分相狀態(tài)。磷脂分子不同相態(tài)在細(xì)胞活動(dòng)中起很重要的作用。為了考察磷脂分子的分相機(jī)理，本文利用

8、微擾理論討論了雙組份流體在主體自由空間和受限空間中的相分離機(jī)制。通過(guò)分析體系的自由能，發(fā)現(xiàn)雙組份流體在不同維度空間的相分離的難易是不同的。相比于主體自由空間，流體在受限空間中的分相更不容易。
　　(3)借助體系中磷脂分子數(shù)可變的耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法(N-variedDissipative Particle Dynamics method，N-varied DPD)，考察了疏水性納米粒子與磷脂雙層膜的相互作用，以及納米粒子在磷脂膜內(nèi)部

9、不同的自聚形態(tài)。模擬發(fā)現(xiàn)在磷脂膜內(nèi)部，沒(méi)有相互作用的疏水納米粒子能自發(fā)形成不同的聚集體。除了預(yù)料中的各向同性聚集體外，納米粒子還會(huì)聚成一種鏈狀結(jié)構(gòu)的聚集體。而這種鏈狀結(jié)構(gòu)的聚集體目前還沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到。為了解釋這些聚集結(jié)構(gòu)生成的原因，我們計(jì)算了納米粒子在磷脂膜內(nèi)部的平均力勢(shì)(Potential of mean force，PMF)隨納米粒子間的距離的變化情況。計(jì)算結(jié)果顯示納米粒子在磷脂膜內(nèi)的聚集形態(tài)是由膜的形變介導(dǎo)的。同時(shí)為了系統(tǒng)的考

10、察納米粒子在不同條件下的聚集形態(tài)及其規(guī)律，大量的模擬給出了受納米粒子尺寸、磷脂膜張力以及膜曲率影響的納米粒子聚集體的形貌相圖。通過(guò)相圖分析得到納米粒子的半徑和磷脂膜的表面張力在納米粒子的聚集過(guò)程中起決定性的作用，而納米粒子的濃度和磷脂膜曲率對(duì)納米粒子的聚集行為影響不是很大。這些結(jié)論為理解疏水納米粒子與膜的相互作用提供了直觀參考，并為實(shí)驗(yàn)上如何設(shè)計(jì)相關(guān)納米粒子提供了指導(dǎo)。
　　2.本論文的第二部分研究包括，納米粒子移動(dòng)誘導(dǎo)的磷脂膜管

11、生成以及納米粒子吸附誘導(dǎo)的膜管形貌轉(zhuǎn)變。
　　(1)利用N-varied DPD方法考察了在移動(dòng)納米粒子的誘導(dǎo)下，從平板生物膜到膜管的生成及生長(zhǎng)的分子機(jī)理。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)在生物膜管的形成過(guò)程中存在著一個(gè)較大的能壘，并且伴隨著一個(gè)磷脂膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。為了解釋這個(gè)現(xiàn)象，我們分析了位于膜管底部的磷脂分子序參數(shù)、磷脂膜厚度以及磷脂分子的密度隨磷脂膜管的生成過(guò)程的變化。結(jié)果顯示轉(zhuǎn)變能壘以及膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的出現(xiàn)，是因?yàn)樵谀す苌沙跗诹字肿拥膸缀闻帕薪Y(jié)

12、構(gòu)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突然地轉(zhuǎn)變而引起的。此外通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)隨著磷脂膜表面張力、膜管半徑以及生成速度的不同，這個(gè)能壘的大小會(huì)發(fā)生變化。但是能壘和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變出現(xiàn)的位置卻不受這些因素的影響。
　　(2)借助不包含溶劑的粗?；肿觿?dòng)力學(xué)(solvent-free coarse grainedmolecular dynamic method，solvent-free-CGMD)方法考察了納米粒子吸附以及膜管的內(nèi)外壓力差對(duì)磷脂膜管(Lipid nanot

13、ube)到囊泡形貌轉(zhuǎn)變(即pearling transition)的影響。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)在膜管形貌發(fā)生轉(zhuǎn)變的初期納米粒子吸附和管內(nèi)外壓力差協(xié)同推動(dòng)膜管形貌轉(zhuǎn)變。而在轉(zhuǎn)變的后期納米粒子的吸附作用和膜管內(nèi)外的壓力差變?yōu)楦?jìng)爭(zhēng)關(guān)系。根據(jù)納米粒子在膜管內(nèi)部的聚集形態(tài)和膜管最終形貌的不同，在模擬中發(fā)現(xiàn)了四種不同的轉(zhuǎn)變路徑:膜管形貌的輕微改變、由納米粒子鏈穩(wěn)定的珠鏈結(jié)構(gòu)、以及由納米粒子和壓力差分別誘導(dǎo)的膜管-囊泡轉(zhuǎn)變?？紤]到生物膜的半滲透性以及一些蛋白