双亲性分子的自聚以及与纳米粒子的相互作用
双亲性分子由于分子结构同时包含亲水的头基和疏水的尾基，在溶剂中能够自组装成一些有序的结构。这类大分子由于其特殊的性质在科学实验、工农业生产甚至日常生活中有着重要而广泛的应用。近年来，大量的文献从实验上和理论上都报道了关于双亲分子在不同条件下的聚集行为和在混合体系中的相行为。关于界面诱导的双亲分子的聚集行为，以及双亲分子自身结构对其在界面上的聚集行为的影响，目前也开始有文献报道过。 细胞膜，作为细胞的重要组成部分，是由一些特殊的双亲分子即磷脂分子组成的。这种膜结构在许多的细胞活动过程中都发挥着重要的作用。例如，细胞间的信号传导，细胞内的物质输运等。特别重要的是，随着纳米技术的飞速发展，纳米粒子被广泛应用于生物医药领域。相比于传统的药物载体，纳米粒子药物载体表现出高靶向性、循环周期长以及副作用小等优势。另外，一些生物活性较好的双亲分子自聚而构成的纳米粒子也作为潜在的药物载体，在纳米医学领域得到广泛的关注。因此了解生物膜的形变性质以及其与外来纳米粒子间的相互作用，是纳米医学发展的关键所在、也是揭开生命领域神秘面纱的重要步骤。 然而，由于在真实的细胞体系中，细胞膜的组成和运行机制是非常复杂的，并且时空尺度都很微小，这使得现有的实验条件和检测技术都无法精确的判断一些细胞活动过程和机理。幸运的是，近年来随着计算机技术的不断发展和物理模型的不断完善，使得计算机模拟的结果越来越接近真实体系和实验值。从而使计算机模拟成为了弥补实验盲点的一个重要手段。 基于上述的原因，本文主要借助分子模拟手段(主要是以耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics，DPD)，晶格蒙特卡洛(Lattice MonteCarlo，LMC)和粗粒化分子动力学(Coarse Grained Molecular Dynamic，CGMD)为主的粗粒化模拟），以双亲分子组成的双层膜与小尺寸的纳米粒子相互作用为对象进行分子层面的机理模拟，并结合Helfrich弹性理论和一阶微扰理论对一些模拟现象给出理论解释。文章的主要研究内容集中在以下两个方面: 1.纳米粒子与双亲分子聚集体的相互作用。研究包括纳米粒子表面曲率对双亲性分子自聚的影响机理，两组分双亲分子聚集体的分相机理，以及表面疏水的纳米粒子与磷脂双分子层膜的相互作用和在膜内的自聚机理等: (1)针对纳米粒子表面对双亲分子聚集的影响机理，本文采用晶格蒙特卡洛模拟并结合Helfrich弹性理论和简单的吸附理论，讨论了纳米粒子表面曲率以及双亲分子本身的结构对双亲分子聚集体的影响。模拟发现当固体表面的曲率超过一个临界值时，固体表面的曲率会影响吸附在其上的双亲分子聚集体的拓扑结构，并且会导致不同的形态转变。并且双亲分子会在圆柱状纳米粒子上更容易形成柱状胶束，这主要是由于柱面在局部曲率的轴向和径向上的各向异性导致的。为了系统的考察固体表面曲率对双亲性分子聚集体的形态转变的影响，我们建立了一个包含Helfrich弯曲能，粒子曲面引起聚集体形变的变形能以及吸附能的理论模型。通过理论模型的分析得出，当纳米粒子的曲率变大时，在主体相中稳定的双分子层结构的弯曲能会暴增，从而导致在高曲率的柱面上有一个从双分子层结构向柱形胶束的相转变。这些结论可为设计有不同相互作用的纳米粒子和双亲分子提供指导。 (2)在真实细胞体系中，细胞膜是由大量的不同类型的磷脂分子和一些蛋白质组成的。在不同的细胞活动过程中，这些不同类型的磷脂分子或是处于一个均相分散的状态，或是处于某一组份寡聚/富集的分相状态。磷脂分子不同相态在细胞活动中起很重要的作用。为了考察磷脂分子的分相机理，本文利用微扰理论讨论了双组份流体在主体自由空间和受限空间中的相分离机制。通过分析体系的自由能，发现双组份流体在不同维度空间的相分离的难易是不同的。相比于主体自由空间，流体在受限空间中的分相更不容易。 (3)借助体系中磷脂分子数可变的耗散粒子动力学方法(N-variedDissipative Particle Dynamics method，N-varied DPD)，考察了疏水性纳米粒子与磷脂双层膜的相互作用，以及纳米粒子在磷脂膜内部不同的自聚形态。模拟发现在磷脂膜内部，没有相互作用的疏水纳米粒子能自发形成不同的聚集体。除了预料中的各向同性聚集体外，纳米粒子还会聚成一种链状结构的聚集体。而这种链状结构的聚集体目前还没有在实验中观测到。为了解释这些聚集结构生成的原因，我们计算了纳米粒子在磷脂膜内部的平均力势(Potential of mean force，PMF)随纳米粒子间的距离的变化情况。计算结果显示纳米粒子在磷脂膜内的聚集形态是由膜的形变介导的。同时为了系统的考察纳米粒子在不同条件下的聚集形态及其规律，大量的模拟给出了受纳米粒子尺寸、磷脂膜张力以及膜曲率影响的纳米粒子聚集体的形貌相图。通过相图分析得到纳米粒子的半径和磷脂膜的表面张力在纳米粒子的聚集过程中起决定性的作用，而纳米粒子的浓度和磷脂膜曲率对纳米粒子的聚集行为影响不是很大。这些结论为理解疏水纳米粒子与膜的相互作用提供了直观参考，并为实验上如何设计相关纳米粒子提供了指导。 2.本论文的第二部分研究包括，纳米粒子移动诱导的磷脂膜管生成以及纳米粒子吸附诱导的膜管形貌转变。 (1)利用N-varied DPD方法考察了在移动纳米粒子的诱导下，从平板生物膜到膜管的生成及生长的分子机理。通过模拟发现在生物膜管的形成过程中存在着一个较大的能垒，并且伴随着一个磷脂膜结构转变。为了解释这个现象，我们分析了位于膜管底部的磷脂分子序参数、磷脂膜厚度以及磷脂分子的密度随磷脂膜管的生成过程的变化。结果显示转变能垒以及膜结构转变的出现，是因为在膜管生成初期磷脂分子的几何排列结构会出现一个突然地转变而引起的。此外通过模拟发现随着磷脂膜表面张力、膜管半径以及生成速度的不同，这个能垒的大小会发生变化。但是能垒和结构转变出现的位置却不受这些因素的影响。 (2)借助不包含溶剂的粗粒化分子动力学(solvent-free coarse grainedmolecular dynamic method，solvent-free-CGMD)方法考察了纳米粒子吸附以及膜管的内外压力差对磷脂膜管(Lipid nanotube)到囊泡形貌转变(即pearling transition)的影响。通过模拟发现在膜管形貌发生转变的初期纳米粒子吸附和管内外压力差协同推动膜管形貌转变。而在转变的后期纳米粒子的吸附作用和膜管内外的压力差变为竞争关系。根据纳米粒子在膜管内部的聚集形态和膜管最终形貌的不同，在模拟中发现了四种不同的转变路径:膜管形貌的轻微改变、由纳米粒子链稳定的珠链结构、以及由纳米粒子和压力差分别诱导的膜管-囊泡转变。考虑到生物膜的半渗透性以及一些蛋白质对生物膜的影响，我们的模拟不仅提出了一个新的膜管不稳定性机理，并且也表明了渗透压以及蛋白质与生物膜间的相互作用在生物膜的形变中起很重要的作用。
双亲性分子;磷脂膜;纳米粒子;生物膜管;pearl结构;微扰理论;分子模拟
北京化工大学
博士
化学工程与技术
张现仁;Wei DONG
2015
中文
O641.3;O631.13
160
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）