纳米粒子与生物膜相互作用及其对磷脂膜影响的粗粒化模拟

摘要

纳米粒子广泛应用于基因传送、药物传递、成像工具以及诊断和治疗试剂等生物领域。在这些领域中，纳米粒子能否实现跨膜，有效地进入细胞成为一个重要的研究方向。另一方面，纳米粒子与磷脂膜接触时可能会破坏细胞膜从而带来负面影响——称之为细胞毒性。无论是从纳米粒子实现跨膜还是纳米粒子的细胞毒性来说，都需要深入理解纳米粒子与生物膜之间的相互作用关系，因此，近年来这方面的研究已经成为纳米技术在生物领域应用的重要课题。
　　在实验领域，研究人员致力于合成出可以进入细胞同时又不带来大的负面效应的纳米粒子。而大量的理论和模拟研究则致力于从能量和动力学的角度出发研究纳米粒子与生物膜的相互作用。然而，对于纳米粒子的跨膜方式的研究仍然在初期阶段，由于生物体系的复杂多样性，对于什么因素会影响纳米粒子进入细胞还知之不详。
　　作为纳米粒子跨膜的最重要方式的之一，内吞已经得到了广泛的研究。而渗透作为另外一种进入细胞的方式目前研究的还不多。实验研究表明，小尺寸的纳米粒子能够以渗透方式进入细胞而不引起细胞破裂和形成持续性的通道。此外，碳纳米管，小分子支状聚合物和一些阳离子纳米粒子等特殊类型的纳米粒子也容易发生渗透。
　　由于时间和三维空间检测技术上困难，目前实验技术和手段很难在分子层面上研究纳米粒子的渗透机理和动力学过程。因此，我们采用计算机模拟技术来研究纳米粒子的渗透问题。而在理论计算中，往往要求纳米粒子有一个进入细胞的推动力，因此，出现问题:纳米粒子为什么会渗透进入细胞？纳米粒子是怎么自发渗透进入细胞的？而什么样的纳米粒子会发生渗透？什么类型的生物膜会容易发生渗透？这些问题目前为止并没有相关文献进行系统的报道，这也是本论文工作的重要的研究意义所在。
　　本论文采用耗散粒子动力学方法，选取纳米粒子-磷脂膜体系作为研究对象，进行系统的模拟研究。论文主要从以下几个方面展开研究:
　　首先，从纳米粒子的几种跨膜方式和粒子与生物膜相互作用机理上看:
　　论文研究了纳米粒子与磷脂膜的相互作用，并阐述了纳米的几种跨膜方式:渗透、内吞、半内吞和粘附。论文从热力学角度上分析认为几种跨膜方式的出现归因于纳米粒子与生物膜的作用能，生物膜的表面弯曲能和内陷膜表面的量平衡之后的结果。论文将几种粒子的跨膜方式发生条件汇总成相图，以助于理解纳米粒子跨膜方式的发生。
　　此外，论文在研究纳米粒子进入囊泡的过程中，发现纳米粒子渗透的发生至少需要满足两个重要条件:纳米粒子与磷脂的头的相互作用力很强，粒子的尺寸小于膜厚(约为5nm)。
　　其次，渗透的三种动力学过程方面:
　　论文中粒子的初始状态是随机分布在磷脂膜表面，结果发现纳米粒子以三种不同的动力学过程渗透进入囊泡，分别为:链状渗透、直接渗透和反转胶束渗透。
　　第一种称之为链状渗透。发生在粒子尺寸小于囊泡厚度的一半的情况下。链状渗透特征在于:粒子嵌入磷脂膜形成“穴”，吸引其它粒子聚集成链状，同时推动粒子链进入囊泡。
　　第二种称之为直接渗透，发生在粒子尺寸为大于囊泡厚度的一半且小于囊泡厚度的情况下。直接渗透的特征在于:纳米粒子深嵌入磷脂膜时可以接触到磷脂内膜（粒子可以同时接触到磷脂双分子层的内外膜），因此不需要协同其它粒子即可直接进入囊泡。
　　第三种称之为反转胶束渗透，发生条件并不明确，极为罕见。反转胶束渗透的过程依赖于反转胶束的形成。
　　再次，从五个因素对渗透过程的影响上看:
　　论文讨论了粒子与磷脂分子作用力，纳米粒子的大小和浓度，以及囊泡的大小和类型对渗透过程的影响。
　　只有纳米粒子与磷脂头的相互作用力为强吸引作用时，才能够发生链状渗透与直接渗透;而纳米粒子与磷脂尾的相互作用力并不影响渗透现象的发生。
　　只有拥有正表面张力的球型囊泡才能发生大规模的渗透，而拥有负表面张力的扁型囊泡虽然也发现了链状渗透和直接渗透，但其渗透率很小。
　　纳米粒子尺度小于囊泡的厚度一半时发生链状渗透，大于囊泡厚度一半且小于囊泡厚度时发生直接渗透。链状渗透的渗透率不大于15％，而直接渗透的渗透率可以达到50％左右，因此，直接渗透是比链状渗透更为有效的渗透模式，只有直接渗透才能使纳米粒子发生大规模渗透。
　　粒子浓度大小不影响直接渗透的发生，但只有在纳米粒子浓度达到一定程度时，才可能使粒子大量进入囊泡，直接渗透的粒子浓度最适宜的范围是:表面覆盖率8-15％;粒子浓度较小时，纳米粒子并不发生链状渗透，只有粒子浓度达到一定程度时，纳米粒子相互协作聚集成链的机会剧增，因此才发生链状渗透。
　　最后，从纳米粒子聚集和对囊泡的影响上看:
　　论文发现多个纳米粒子在囊泡表面上容易形成三种不同类型的聚集行为:局部均匀聚集，珠链状聚集和局部团聚。当磷脂头与纳米粒子的相互作用力较强，且粒子的尺寸较小时，易于形成局部均匀聚集;随着粒子尺寸的增加，纳米粒子从局部均匀聚集转向了珠链状聚集;当磷脂头与纳米粒子的相互作用力较弱，纳米粒子易于形成局部团聚。此外，纳米粒子在磷脂膜疏水区也可以形成聚集。
　　粒子在磷脂膜表面或者磷脂膜疏水区形成的聚集现象，对囊泡可以产生巨大的影响。依据其影响程度，可以分为:基本无影响、形成特殊形状囊泡、发芽和分裂，囊泡的破裂等。这里特殊形状的囊泡可以是有两个粒子聚集区的棒型囊泡、三个聚集区的三角包型囊泡或者四个聚集区的四角包型囊泡。
　　有关纳米粒子的细胞毒性，论文中的一个最简单判断方法是看纳米粒子的引入是否引起囊泡的破裂。研究发现，当纳米粒子足够多或者足够大时，无论是对于球型囊泡还是扁型囊泡，粒子作用于囊泡的结果就会使囊泡破裂。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 研究背景

1．3 生物膜与表面双亲分子

1．3．1 表面双亲分子的自聚和吸附

1．3．2 表面双亲分子的吸附和自聚动力学

1．3．3 表面双亲分子作为模扳剂诱导纳米材料生成

1．3．4 具有表面双亲性的磷脂分子组成的生物膜的结构性能关系

1．4 纳米粒子与生物膜的相互作用

1．4．1 纳米粒子的内吞过程

1．4．2 纳米粒子的渗透过程

1．5 分子模拟方法概述

1．5．1 分子动力学方法

1．5．2 耗散粒子动力学方法

1．6 论文的研究内容和意义

1．6．1 论文的研究内容

1．6．2 论文的研究意义

第二章 纳米粒子与生物膜的相互作用

2．1 背景

2．2 模型与初始条件

2．3 纳米粒子与囊泡的相互作用

2．3．1 渗透

2．3．2 内吞

2．3．3 半内吞

2．3．4 粘附

2．3．5 小结

2．4 相图

2．5 本章总结

第三章 纳米粒子的渗透

3．1 背景

3．2 模型及参数

3．3 渗透的三种动力学过程

3．3．1 链状渗透

3．3．2 直接渗透

3．3．3 反转胶束渗透

3．4 影响渗透的五个因素

3．4．1 纳米粒子与磷脂分子的相互作用力

3．4．2 囊泡类型

3．4．3 囊泡大小

3．4．4 纳米粒子的大小

3．4．5 纳米粒子的浓度

3．5 磷脂模型对纳米粒子渗透的影响

3．6 本章总结

第四章 纳米粒子的聚集以及对囊泡的影响

4．1 背景

4．2 纳米粒子的聚集

4．2．1 局部均匀聚集

4．2．2 珠链状聚集

4．2．3 局部团聚

4．3 纳米粒子对囊泡形貌的影响

4．3．1 基本无影响

4．3．2 形成特殊形状的囊泡

4．3．3 发芽和分裂

4．3．4 囊泡破裂

4．4 渗透过程的粒子毒性

4．5 本章总结

第五章 纳米粒子渗透的应用讨论

5．1 背景

5．2 高效低毒纳米粒子的设计

5．3 拥有负表面张力磷脂膜的纳米粒子的渗透

5．4 本章总结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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