磷脂双层膜阵列的构建及其内部带电磷脂在电场下的行为

摘要

基于仿生原理制备的支撑磷脂双层膜阵列，能够替代细胞膜研究其结构和功能，因此成为了生物膜研究领域的后起之秀。其中，关于电场对磷脂双层膜中带电物质进行操控的研究，能够为膜蛋白等膜中带电物质的结构和功能研究提供有力的理论依据和实践指导，具有十分重要的研究价值。然而，目前在该研究领域中，还有诸多问题需要解决，如基底表面浸润性与形成支撑磷脂膜的关系、如何在纳米水平上控制“阵列围栏”的高度得到理想的支撑磷脂膜阵列以及如何通过交流电场对磷脂膜中带电物质进行有效操控等。针对这些问题，本文首先通过空间受限等离子体氧化法制备了具有表面化学梯度的基底，研究了基底表面浸润性能与支撑磷脂膜形成的关系；其次，将层层自组装聚电解质的方法与紫外光刻法相结合，形成了高度可控的“阵列围栏”，并制备了支撑磷脂双层膜阵列；最后，通过理论计算和实验验证，研究了交流电场下特殊图案化的磷脂膜阵列中带电磷脂的定向迁移。
　　利用空间受限等离子体氧化法制备了接触角从大约108°到大约5°变化的梯度表面，并通过研究巨型脂质体泡囊(GUVs)在该基底上成膜情况，明确了支撑磷脂膜的形成与基底表面浸润性能的关系。根据荧光显微镜和原子力显微镜的表征结果，发现在接触角为大约108°至大约61°的表面上，GUVs可以铺展形成均匀的单层膜，在大约60°到大约55°范围内主要形成单层膜的斑块，在大约54°到大约28°范围内 GUVs完整地“站立”在表面，而接触角大约为5°时， GUVs铺展形成双层膜斑块。此外，小型脂质体泡囊(SUVs)可以在接触角5°左右的表面上形成均匀连续的支撑磷脂双层膜。支撑磷脂双层膜主要在基底表面接触角大约5°的亲水表面形成，为了得到连续的支撑磷脂膜在铺膜的过程中需要使用 SUVs。通过荧光漂白恢复(FRAP)技术、循环伏安法和交流阻抗法研究了黄芩苷和黄芩素两种黄酮类物质对磷脂双层膜流动性和通透性的影响。结果表明，黄芩苷对磷脂双层膜的性质影响不大，而黄芩素则有较为明显的影响。当黄芩素的浓度为25μmol/L时，磷脂膜中带电磷脂的扩散系数从初始时的1.93±0.02μm2/s降低至1.34±0.02μm2/s。另外，黄芩素对磷脂膜的通透性也具有较大影响，磷脂膜的通透性随黄芩素浓度增加而提高。循环伏安曲线峰电流值与黄芩素的浓度呈现线性关系。
　　在研究磷脂膜铺展的基础上，本文进一步制备并得到了支撑磷脂膜阵列。首先利用层层自组装技术在基底上制备了聚电解质薄膜并进行紫外光刻，形成了以聚电解质材料为“阵列围栏”的图案化基底，然后在该基底上铺展 SUVs得到了支撑磷脂双层膜阵列。通过控制聚电解质组装的层数可以在纳米尺度上控制“阵列围栏”的高度。FRAP实验结果表明使用该方法制备的支撑磷脂双层膜具有良好的流动性。同时该磷脂膜阵列中负电性的磷脂NBD PE能够在10V/cm的直流电场下定向运动，表明所制备的支撑磷脂双层膜阵列适用于电场控制下膜中带电磷脂运动的研究。
　　基于布朗棘轮效应，利用方波交流电场和旋转交流电场对磷脂膜中带电磷脂的定向运动进行了操控。通过 COMSOL有限元模拟分析和实验结果验证，明确了影响电场控制膜中带电磷脂运动的几个关键因素：棘齿的非对称性、棘齿高度与负向电场作用时间的关系、旋转交流电场相位差以及周期。结果表明，棘齿的非对称性越大，带电磷脂在膜中的运动效率越高；棘齿高度和负向电场作用时间的关系对带电磷脂运动的影响可以用参数h’/h来表示，横向富集带电磷脂效率最高的 h’/h值在1左右；相位差为π/2，周期为9600s的旋转交流电场对磷脂的富集最有效。
　　本论文采用空间受限等离子体氧化法制备的具有表面化学梯度的基底明确了支撑磷脂膜形成与基底表面浸润性的关系。利用层层自组装技术在基底表面制备了聚电解质多层膜，以该多层膜为基底与紫外光刻技术相结合能够突破传统方法的限制，建立了一种制备“阵列围栏”高度在纳米水平上可控的支撑磷脂双层膜阵列的新方法。通过模拟计算与实验验证，明确了布朗棘轮效应下交流电场控制膜中带电磷脂运动行为的关键因素。本论文有效解决了支撑磷脂膜阵列上带电物质迁移所面临的诸多问题，为电场下控制膜中带电物质的运动提供了理论基础，在膜蛋白的结构和功能研究领域具有潜在的应用价值。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 生物膜和磷脂仿生膜的研究进展

1.3 支撑磷脂双层膜阵列的研究进展

1.4 本论文的主要研究内容

第2章 实验材料与实验方法

2.1 主要原料与试剂

2.2 实验仪器

2.3 实验方法

2.4 性能表征测试方法

第3章 在表面化学梯度基底上制备磷脂膜的研究

3.1 引言

3.2 具有化学梯度基底的制备及表征

3.3 化学梯度基底上磷脂膜的制备

3.4 磷脂膜物理性质的研究

3.5 本章小结

第4章 在图案化的聚电解质膜基底上制备磷脂双层膜阵列的研究

4.1 引言

4.2 聚电解质膜阵列的制备

4.3 支撑磷脂双层膜阵列的研究

4.4 本章小结

第5章 布朗棘轮效应在膜内带电磷脂操控方面的研究

5.1 引言

5.2 方波交流电场对膜中带电磷脂的富集

5.3 旋转交流电场对膜中带电磷脂的操控

5.4 本章小结

结论

论文创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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