C60、脂質(zhì)納氣泡與類細(xì)胞膜作用的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、細(xì)胞是生命體的基本活動(dòng)單元，納米材料的應(yīng)用離不開與細(xì)胞膜的作用，從分子層面上揭示其與細(xì)胞膜之間的作用機(jī)制，對(duì)其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用具有啟示意義。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及分子模擬和實(shí)驗(yàn)研究的廣泛結(jié)合，分子模擬研究方法在納米生物學(xué)研究領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的地位。本文利用粗粒度分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了納米材料（C60、脂質(zhì)納氣泡）與磷脂雙層膜（類細(xì)胞膜模型）的作用。
　　1、C60納米材料由于其獨(dú)特屬性廣泛應(yīng)用于納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而，C

2、60的生物毒性也是不可忽略的，已有研究表明nano-C60能跨過血腦屏障，造成機(jī)體的損害。因此，研究C60與細(xì)胞膜的微觀作用機(jī)理，對(duì)其在生物醫(yī)學(xué)的安全應(yīng)用具有重要意義。另一方面，膽固醇是細(xì)胞膜的重要組成成分，它對(duì)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和小分子的滲透有重要影響。不同功能部位的細(xì)胞膜中膽固醇的含量存在差異。膽固醇對(duì)C60跨膜的影響還未闡明。因此，本文我們研究膽固醇濃度對(duì)C60跨磷脂雙層膜的影響。構(gòu)建一系列包含不同濃度的膽固醇分子的體系，膽固醇的濃度為

3、0 mol％-50 mol％。通過一系列的動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，研究膽固醇對(duì)磷脂雙層膜的凝固作用（condensation effect），表現(xiàn)為脂質(zhì)分子的平均單脂面積降低，膜厚增加，尾鏈有序性增加。在C60的跨膜動(dòng)力學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)C60能自發(fā)地進(jìn)入膜內(nèi)，并穩(wěn)定存在于疏水區(qū)而不會(huì)從另一側(cè)出去。我們計(jì)算不同體系的自由能曲線，發(fā)現(xiàn)從水相到膜內(nèi)只有很小的能壘，C60能克服這個(gè)能壘進(jìn)入膜內(nèi)，而從膜內(nèi)到水相有很大的勢(shì)壘，C60不會(huì)從另一側(cè)出去，穩(wěn)定地存

4、在于疏水區(qū)。我們還計(jì)算了C60跨膜的滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著膽固醇濃度的增加，滲透系數(shù)減小，表明滲透變慢。這些主要?dú)w因于膽固醇分子的存在，體系自由體積減小，C60跨膜需要打破的分子間作用力增加，導(dǎo)致分子擴(kuò)散變慢。
　　2、脂質(zhì)納氣泡作為目前最有效的超聲造影劑，在超聲的作用下，不僅能夠增強(qiáng)造影效果，而且其聲孔效應(yīng)能應(yīng)用于藥物或基因治療。較大超聲強(qiáng)度可以使脂質(zhì)納氣泡破裂產(chǎn)生沖擊波及液體射流。為了研究沖擊作用下脂質(zhì)納氣泡對(duì)磷脂雙層膜的影響，進(jìn)

5、行非平衡動(dòng)力學(xué)模擬。通過設(shè)置不同的顆粒速度，產(chǎn)生不同速度的沖擊波。研究沖擊波的速度和脂質(zhì)納氣泡的尺寸對(duì)結(jié)果的影響。動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果顯示，非平衡動(dòng)力學(xué)模擬中會(huì)有沖擊波產(chǎn)生，其沿著體系+z方向傳播，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到脂質(zhì)納氣泡的近端時(shí)，開始?jí)嚎s脂質(zhì)納氣泡，直到脂質(zhì)納氣泡破裂，此過程中氣泡周圍的水分子快速地向氣泡中心聚集，形成納米水射流。此納米水射流會(huì)對(duì)磷脂雙層膜產(chǎn)生作用，使磷脂雙層膜發(fā)生結(jié)構(gòu)形變，在沖擊波速度較大時(shí)，磷脂雙層膜會(huì)有較明顯的半球形形變，膜

6、上產(chǎn)生孔洞。此過程伴隨有水分子擴(kuò)散到磷脂雙層膜疏水區(qū)的現(xiàn)象。納米水射流的強(qiáng)度和磷脂雙層膜的損傷程度與沖擊波的速度和脂質(zhì)納氣泡的尺寸有關(guān)。盡管脂質(zhì)納氣泡破裂產(chǎn)生的納米水射流會(huì)使磷脂雙層膜發(fā)生形變，但受損的磷脂雙層膜是可以恢復(fù)的。我們對(duì)受到損傷的體系部分截取構(gòu)成新體系，其包含磷脂雙層膜及周圍若干水分子，進(jìn)行恢復(fù)過程模擬。模擬結(jié)果表明膜表面的孔洞開始急速擴(kuò)大，達(dá)到最大尺寸后緩慢地閉合，直至膜完全平坦，說明沖擊作用使膜產(chǎn)生的孔洞是瞬時(shí)可逆的。此