納米粒子與生物膜相互作用及其對磷脂膜影響的粗?；M.pdf

1、納米粒子廣泛應(yīng)用于基因傳送、藥物傳遞、成像工具以及診斷和治療試劑等生物領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，納米粒子能否實現(xiàn)跨膜，有效地進入細(xì)胞成為一個重要的研究方向。另一方面，納米粒子與磷脂膜接觸時可能會破壞細(xì)胞膜從而帶來負(fù)面影響——稱之為細(xì)胞毒性。無論是從納米粒子實現(xiàn)跨膜還是納米粒子的細(xì)胞毒性來說，都需要深入理解納米粒子與生物膜之間的相互作用關(guān)系，因此，近年來這方面的研究已經(jīng)成為納米技術(shù)在生物領(lǐng)域應(yīng)用的重要課題。
　　在實驗領(lǐng)域，研究人員致力于

2、合成出可以進入細(xì)胞同時又不帶來大的負(fù)面效應(yīng)的納米粒子。而大量的理論和模擬研究則致力于從能量和動力學(xué)的角度出發(fā)研究納米粒子與生物膜的相互作用。然而，對于納米粒子的跨膜方式的研究仍然在初期階段，由于生物體系的復(fù)雜多樣性，對于什么因素會影響納米粒子進入細(xì)胞還知之不詳。
　　作為納米粒子跨膜的最重要方式的之一，內(nèi)吞已經(jīng)得到了廣泛的研究。而滲透作為另外一種進入細(xì)胞的方式目前研究的還不多。實驗研究表明，小尺寸的納米粒子能夠以滲透方式進入細(xì)胞而

3、不引起細(xì)胞破裂和形成持續(xù)性的通道。此外，碳納米管，小分子支狀聚合物和一些陽離子納米粒子等特殊類型的納米粒子也容易發(fā)生滲透。
　　由于時間和三維空間檢測技術(shù)上困難，目前實驗技術(shù)和手段很難在分子層面上研究納米粒子的滲透機理和動力學(xué)過程。因此，我們采用計算機模擬技術(shù)來研究納米粒子的滲透問題。而在理論計算中，往往要求納米粒子有一個進入細(xì)胞的推動力，因此，出現(xiàn)問題:納米粒子為什么會滲透進入細(xì)胞？納米粒子是怎么自發(fā)滲透進入細(xì)胞的？而什么樣的納

4、米粒子會發(fā)生滲透？什么類型的生物膜會容易發(fā)生滲透？這些問題目前為止并沒有相關(guān)文獻(xiàn)進行系統(tǒng)的報道，這也是本論文工作的重要的研究意義所在。
　　本論文采用耗散粒子動力學(xué)方法，選取納米粒子-磷脂膜體系作為研究對象，進行系統(tǒng)的模擬研究。論文主要從以下幾個方面展開研究:
　　首先，從納米粒子的幾種跨膜方式和粒子與生物膜相互作用機理上看:
　　論文研究了納米粒子與磷脂膜的相互作用，并闡述了納米的幾種跨膜方式:滲透、內(nèi)吞、半內(nèi)吞和粘

5、附。論文從熱力學(xué)角度上分析認(rèn)為幾種跨膜方式的出現(xiàn)歸因于納米粒子與生物膜的作用能，生物膜的表面彎曲能和內(nèi)陷膜表面的量平衡之后的結(jié)果。論文將幾種粒子的跨膜方式發(fā)生條件匯總成相圖，以助于理解納米粒子跨膜方式的發(fā)生。
　　此外，論文在研究納米粒子進入囊泡的過程中，發(fā)現(xiàn)納米粒子滲透的發(fā)生至少需要滿足兩個重要條件:納米粒子與磷脂的頭的相互作用力很強，粒子的尺寸小于膜厚(約為5nm)。
　　其次，滲透的三種動力學(xué)過程方面:
　　論文

6、中粒子的初始狀態(tài)是隨機分布在磷脂膜表面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米粒子以三種不同的動力學(xué)過程滲透進入囊泡，分別為:鏈狀滲透、直接滲透和反轉(zhuǎn)膠束滲透。
　　第一種稱之為鏈狀滲透。發(fā)生在粒子尺寸小于囊泡厚度的一半的情況下。鏈狀滲透特征在于:粒子嵌入磷脂膜形成“穴”，吸引其它粒子聚集成鏈狀，同時推動粒子鏈進入囊泡。
　　第二種稱之為直接滲透，發(fā)生在粒子尺寸為大于囊泡厚度的一半且小于囊泡厚度的情況下。直接滲透的特征在于:納米粒子深嵌入磷脂膜時可以

7、接觸到磷脂內(nèi)膜（粒子可以同時接觸到磷脂雙分子層的內(nèi)外膜），因此不需要協(xié)同其它粒子即可直接進入囊泡。
　　第三種稱之為反轉(zhuǎn)膠束滲透，發(fā)生條件并不明確，極為罕見。反轉(zhuǎn)膠束滲透的過程依賴于反轉(zhuǎn)膠束的形成。
　　再次，從五個因素對滲透過程的影響上看:
　　論文討論了粒子與磷脂分子作用力，納米粒子的大小和濃度，以及囊泡的大小和類型對滲透過程的影響。
　　只有納米粒子與磷脂頭的相互作用力為強吸引作用時，才能夠發(fā)生鏈狀滲透與直

8、接滲透;而納米粒子與磷脂尾的相互作用力并不影響滲透現(xiàn)象的發(fā)生。
　　只有擁有正表面張力的球型囊泡才能發(fā)生大規(guī)模的滲透，而擁有負(fù)表面張力的扁型囊泡雖然也發(fā)現(xiàn)了鏈狀滲透和直接滲透，但其滲透率很小。
　　納米粒子尺度小于囊泡的厚度一半時發(fā)生鏈狀滲透，大于囊泡厚度一半且小于囊泡厚度時發(fā)生直接滲透。鏈狀滲透的滲透率不大于15％，而直接滲透的滲透率可以達(dá)到50％左右，因此，直接滲透是比鏈狀滲透更為有效的滲透模式，只有直接滲透才能使納米粒

9、子發(fā)生大規(guī)模滲透。
　　粒子濃度大小不影響直接滲透的發(fā)生，但只有在納米粒子濃度達(dá)到一定程度時，才可能使粒子大量進入囊泡，直接滲透的粒子濃度最適宜的范圍是:表面覆蓋率8-15％;粒子濃度較小時，納米粒子并不發(fā)生鏈狀滲透，只有粒子濃度達(dá)到一定程度時，納米粒子相互協(xié)作聚集成鏈的機會劇增，因此才發(fā)生鏈狀滲透。
　　最后，從納米粒子聚集和對囊泡的影響上看:
　　論文發(fā)現(xiàn)多個納米粒子在囊泡表面上容易形成三種不同類型的聚集行為:局部

10、均勻聚集，珠鏈狀聚集和局部團聚。當(dāng)磷脂頭與納米粒子的相互作用力較強，且粒子的尺寸較小時，易于形成局部均勻聚集;隨著粒子尺寸的增加，納米粒子從局部均勻聚集轉(zhuǎn)向了珠鏈狀聚集;當(dāng)磷脂頭與納米粒子的相互作用力較弱，納米粒子易于形成局部團聚。此外，納米粒子在磷脂膜疏水區(qū)也可以形成聚集。
　　粒子在磷脂膜表面或者磷脂膜疏水區(qū)形成的聚集現(xiàn)象，對囊泡可以產(chǎn)生巨大的影響。依據(jù)其影響程度，可以分為:基本無影響、形成特殊形狀囊泡、發(fā)芽和分裂，囊泡的破裂