梁燚然 梁清

(浙江師范大學物理系, 統(tǒng)計物理與凝聚態(tài)理論研究中心, 金華 321004)

(2018 年10 月23日收到; 2018 年11 月27日收到修改稿)

納米顆粒在納米醫(yī)藥、細胞成像等領域有著非常廣泛的應用, 深入理解納米顆粒與生物膜之間相互作用的微觀機制是納米顆粒合成與應用的重要基礎. 本文采用粗粒化分子動力學模擬的方法研究了帶電配體包裹的金納米顆粒與相分離的帶電生物膜之間的相互作用. 結果表明, 通過改變金納米顆粒表面的配體密度、配體帶電種類和比例, 以及膜內帶電脂分子的種類, 可以方便地調控納米顆粒在膜表面或膜內停留的位置和狀態(tài). 進一步從自由能的角度分析了帶電納米顆粒與帶電生物膜之間相互作用的微觀物理機制. 本文對納米粒子在納米醫(yī)藥、細胞成像等領域的應用具有一定的理論參考意義.

1 引 言

納米顆粒因其獨特的物理與化學性質而被廣泛應用于藥物輸送、癌癥的靶向治療、細胞成像等領域[1-6]. 另一方面, 有些納米顆粒可能會損壞細胞質膜或細胞器, 甚至殺死細胞, 產生不同程度的細胞毒性[7-12]. 所以, 如何提高納米顆粒的利用效率, 同時降低某些納米顆粒的細胞毒性是納米顆粒在納米醫(yī)藥等相關領域應用所面臨的難題和人們關注的焦點.

改良納米顆粒的物理化學性質最有效的方法之一是表面功能化, 即在納米顆粒表面嫁接各種不同性質的聚合物或多肽等生物分子[13-16]. 現有的大量研究表明, 表面功能化不僅可以提高納米顆粒在藥物輸送時的效率和生物穩(wěn)定性,而且還可以降低納米顆粒所造成的細胞毒性, 提高納米顆粒的生物安全性[17-19].

無論是納米顆粒的相關應用還是納米顆粒的細胞毒性, 都與納米顆粒與生物膜之間的相互作用密切相關[20-22]. 近幾年來, 隨著超高分辨率顯微技術的不斷發(fā)展, 大量的實驗工作研究了各種類型的納米顆粒與生物膜相互作用[23-27]. 另一方面, 隨著計算機計算能力的不斷提高和各種分子模擬模型的不斷完善與發(fā)展, 分子模擬方法也成為了研究納米顆粒與生物膜之間相互作用的一種非常有效的方法, 它能夠非常方便地從分子層次上研究尺寸較小的納米顆粒與生物膜相互作用的微觀過程, 從而揭示納米顆粒與生物膜相互作用的微觀物理機制[28-34]. 例如, van Lehn等[35-37]利用全原子分子模擬方法發(fā)現表面嫁接上疏水配體的小尺寸金納米顆?？梢宰园l(fā)且較快地滲透到脂質雙層膜中.Lin等[38,39]利用粗粒化力場參數模擬發(fā)現金納米顆粒表面嫁接的配體的親疏水性質以及帶電性質都對金納米顆粒和脂質雙層之間的相互作用有著一定的影響, 嫁接帶正電配體的顆粒更易吸附于生物膜上, 但也會對膜造成較大的破壞. 研究人員還發(fā)現納米顆粒的大小、形狀以及與膜的接觸面積都對其與生物膜的相互作用有著不同的影響[9,28,29,34,40,41]. 此外, Simonelli等[42]發(fā)現金納米顆粒表面帶電和中性配體的分布也會顯著影響顆粒往生物膜內滲透的難易程度.

在這些相關的分子模擬研究中, 大多數的生物膜都是單組分膜或單相膜[35-39]. 但是真實的生物膜都是由多組分脂分子和膜蛋白構成的, 不同脂分子之間會發(fā)生相分離, 形成物理和化學性質不同的微觀疇結構[43-45]. 納米顆粒與不同性質的脂質疇之間相互作用的微觀機制人們還知之甚少.

在最近的一個研究工作中, 采用粗粒化的分子動力學方法研究了配體包裹的金納米顆粒的配體密度及配體帶電比例對納米顆粒與相分離的電中性生物膜之間的相互作用的影響[46]. 發(fā)現同一種顆粒與不同脂質疇之間的相互作用具有顯著的區(qū)別,而且通過改變配體的嫁接密度和帶電比例可以很容易地調節(jié)顆粒與膜之間的相互作用.

實際上, 在真實的生物膜中, 除了電中性的脂分子, 還存在著許多帶電脂分子, 它們可能會對帶電的納米顆粒與生物膜之間的相互作用產生重要影響. 本文將在我們前期工作的基礎上進一步研究含有帶電脂分子的相分離生物膜與帶電納米顆粒之間的相互作用, 揭示帶電脂分子的種類, 納米顆粒表面配體的嫁接密度以及帶電種類和比例對納米顆粒與生物膜之間相互作用的影響.

2 方法與模型

2.1 模擬方法

本文所采用的模擬方法為粗?；姆肿觿恿W模擬. 脂分子、水分子、離子以及納米顆粒表面嫁接的配體都用粗?；腗ARTINI力場來描述[47,48], 在這一力場里, 平均每4個非氫原子被看作一個粗?；牧Ｗ? 這樣就明顯減少了計算量,從而可以考慮更大尺寸的生物膜在更長時間內的動力學行為. 不同分子之間非鍵合相互作用的參數與我們前期的工作保持一致, 即非鍵合的粗?；Ｗ又g的Lennard-Jones勢在0.9—1.2 nm間衰減為0, 庫侖相互作用勢在0—1.2 nm之間衰減為0[49-51]. 所有的模擬都采用NPT系綜, 膜的平面(xy平面)和法向 (z軸)方向的壓強均采用Parrinello-Rahman方法固定在1 bar (1 bar =105Pa)[52,53], 同時系統(tǒng)的溫度采用V-rescale方法保持在305 K[54]. 所有的分子動力學模擬都通過Gromacs 5.0運行, 模擬時間步長為20 fs. 為了考察系統(tǒng)在較長時間內的動力學行為, 每一個系統(tǒng)都模擬了15 μs以上.

2.2 理論模型

本文所模擬的系統(tǒng)主要由納米顆粒和脂質雙層膜構成, 除此之外, 還有一定數量的水分子和用來中和脂分子及納米顆粒所帶電荷的反離子(Na+或 Cl-). 系統(tǒng)的尺寸約為 18 nm × 18 nm ×28 nm.

2.2.1 金納米顆粒

本文所采用的納米顆粒模型是我們前期的一個模擬工作所建立的[46], 由金(Au)內核與配體兩部分組成(如圖1所示). 顆粒的內核由314個中性的粒子(代表Au原子)按照面心立方的結構排列而成, 形狀為截角八面體. 內核表面均勻地嫁接著中性或帶電的配體, 每個配體均由4個粗?；Ｗ油ㄟ^化學鍵連接而成. 配體分子的尾部通過化學鍵連接在Au核的表面(如圖1所示). 配體分子固定端的粗粒化粒子是中性的, 中間2個粒子是疏水性的. 配體的帶電性質和種類主要由自由端的粗?；Ｗ記Q定, 若自由端的粒子帶正電, 則配體為正電配體; 若自由端粒子帶負電, 則配體為負電配體;若自由端為中性粒子, 則配體為中性配體.

圖1 金納米顆粒和脂分子的分子結構示意圖 其中DPPC, DFPC以及CHOL (膽固醇)為不帶電的脂分子,而DPPG和DFPG為頭部帶負電的脂分子; 另外DPPC和DPPG為飽和脂分子, 而DFPC和DFPG為不飽和脂分子; 顆粒和各種脂分子的各部分顏色表示通用于全文Fig.1. Molecular schematic illustrations of Au nanoparticle and lipids. Here, DPPC, DFPC and cholesterol (CHOL)are electrically neutral, while DPPG or DFPG has a negatively charged headgroup. Additionally, DPPC and DPPG are fully saturated, while DFPC and DFPG are poly-unsaturated. The coloring scheme of the nanoparticle and lipids is used throughout the whole paper.

在本文中主要考察了納米顆粒表面配體的嫁接密度、帶電種類以及帶電比例對顆粒與含不同種類帶電脂分子的相分離脂質雙層膜之間相互作用的影響. 選取了3種不同的配體嫁接密度, 分別占金核表面原子總數的40%, 60%和100%, 相應的配體數目分別為70, 104和174, 相對應的實際面密度為1.07 nm-2, 1.62 nm-2和2.67 nm-2. 需要說明的是, 配體嫁接密度為40%和60%的情況實驗上是很容易實現的[55,56], 而配體嫁接密度為100% (即174個配體)的情況是一種理想的情況,實驗上可能較難實現, 只是理論模擬的一種參考系統(tǒng). 這些配體有些是全部帶電的, 有些是部分帶電的. 為方便起見, 我們用符號Aun/+(-)m表示某一個總共嫁接了n個配體, 其中m個為帶正電(+)或帶負電 (-)的配體的納米顆粒. 例如,Au104/-70表示配體總數為104, 其中的70個配體為帶負電的配體的納米顆粒. 本文所考察的所有納米顆粒如表1所示.

表1 本文所研究金納米顆粒的類型Table 1. Types of Au nanoparticles in this work.

2.2.2 脂質雙層膜

本文所研究的脂質雙層膜為由飽和脂分子、不飽和脂分子及膽固醇組成的三元雙層膜. 飽和脂分子, 不飽和脂分子和膽固醇的摩爾比為4∶3∶3, 在這一組分比例和305 K溫度的條件下, 該脂質雙層膜會發(fā)生相分離, 形成富含飽和脂分子和膽固醇的流體有序(Lo)疇和富含不飽和脂分子的流體無序(Ld)疇(如圖2所示). 膜脂的種類和結構如圖1所示, 其中, DPPC和DPPG為飽和脂分子,DFPC和DFPG為不飽和脂分子, 每一個尾鏈含有3個不飽和鍵. PC為中性脂分子, 而PG的頭部則帶有一個單位的負電荷, 即可認為PG為帶電脂分子. 本文主要考察了兩種脂質雙層膜, 具體組分見表2. 第一種膜內, Lo疇帶負電(含有帶負電的DPPG脂分子), 第二種膜內, Ld疇帶負電(含有帶負電的DFPG脂分子). 在這兩種膜內, PG脂分子的含量分別占Lo疇或Ld疇中脂分子總數的30%.

圖2 由 DPPC (紫色), DFPC (粉紅色)及 CHOL (灰色)按4 ∶ 3 ∶ 3摩爾比組成的三組分相分離脂質雙層膜的側視圖(上)和俯視圖(下). 其中, Lo疇富含DPPC和CHOL, Ld疇富含DFPCFig.2. Phase-separated lipid bilayer composed of DPPC(purple), DFPC (pink) and CHOL (gray) with the molar ratio of 4 ∶ 3 ∶ 3. Here, Lo domain is enriched in DPPC and CHOL, while Ld domain is enriched in DFPC.

表2 脂質雙層膜及脂質疇的組分Table 2. Components of lipid bilayers and lipid domains.

2.3 納米顆粒與脂質疇之間的自由能計算

為了深入理解分子動力學模擬的結果及納米顆粒與脂質雙層膜之間相互作用的微觀物理機制,采用傘形抽樣的方法計算了納米顆粒與Lo疇及Ld疇之間相互作用的自由能, 即平均力勢(potential of mean force, PMF). 主要比較了 Au70/+70和Au174/+174與電中性的Lo疇和Ld疇以及帶電的Lo疇和Ld疇之間的PMF (Au104/+104的情況應介于Au70/+70和Au174/+174之間, 為了節(jié)約計算資源, 沒有計算), 還比較了Au70/-70與電中性的Lo疇和Ld疇以及帶電的Lo疇和Ld疇之間的PMF.在計算PMF的時候, Lo疇由飽和的脂分子DPPC(或 70% DPPC加 30% DPPG)和 CHOL按照4∶3的摩爾比例構成, Ld疇則全部由不飽和脂分子 DFPC (或 70% DFPC加 30% DFPG)構成.具體計算方法可參考我們前期的一個研究工作[46].

3 結果與討論

3.1 帶正電的顆粒與帶負電的相分離膜之間的相互作用

首先研究了嫁接有帶正電的配體的納米顆粒與含有帶負電的脂分子(DPPG或DFPG)的相分離膜之間的相互作用. 分別考察了不同配體嫁接密度的納米顆粒與Lo疇帶電和Ld疇帶電的膜之間的相互作用.

圖3給出了3種不同配體嫁接密度的納米顆粒吸附于Lo疇含有帶負電的DPPG脂分子的相分離膜的動力學過程. 發(fā)現這3種納米顆粒最終都吸附于帶負電的Lo疇的表面, 只是吸附的動力學過程有一些差別. Au70/+70大約在1.01 μs開始吸附于膜的表面, 并在3.20 μs左右移動到兩疇的交界面處, 這一狀態(tài)在隨后大約12 μs的模擬中保持穩(wěn)定, 顆粒的位置沒發(fā)生明顯的改變. Au104/+104吸附到膜表面所需時間更短些, 大約在0.31 μs就吸附于膜的表面并于1.80 μs時達到穩(wěn)定狀態(tài).Au174/+174僅僅用了0.10 μs就吸附于膜的表面且在1.20 μs時達到穩(wěn)定狀態(tài). 可以看出, 由于顆粒表面的正電荷與Lo疇內DPPG頭部的負電荷之間的相互吸引作用, 顆粒帶電越多, 顆粒與DPPG之間的吸引越強, 顆粒吸附并達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間越短.

圖3 3種不同帶正電的納米顆粒吸附于由DPPC&DPPG/DFPC/CHOL組成的相分離膜上的動力學過程 (a) Au70/+70;(b) Au104/+104; (c) Au174/+174Fig.3. Dynamic processes of adsorption of three different positively charged nanoparticles onto the surface of phase-separated lipid bilayer composed of DPPC & DPPG/DFPC/CHOL: (a) Au70/+70; (b) Au104/+104; (c) Au174/+174.

另一方面, 從圖3可以看出隨著顆粒帶電量的改變, 顆粒的吸附狀態(tài)、膜內脂分子的分布以及膜的形態(tài)也都呈現出一定程度的差別. 由于Au70/+70表面帶正電的配體的嫁接密度比較小(40%), 配體分子鏈排列比較稀疏, 配體疏水部分很容易暴露于水中. 所以Au70/+70表現出一定的疏水性, 有部分的體積嵌入了膜內疏水區(qū)域(圖3(a)), 這與我們前期關于Au70/+70和電中性膜之間相互作用的研究結果是不同的. 對于電中性膜, Au70/+70能夠從Ld疇嵌入膜內[46].

Au104/+104和Au174/+174表面帶正電的配體的嫁接密度比較大, 親水性比較強, 所以它們幾乎整體都暴露于水環(huán)境中或吸附于膜的表面(圖3(b),(c)). 同時, 由于帶正電的配體與帶負電的DPPG之間的吸引作用, 大量的DPPG分子聚集于顆粒之下. 尤其是Au174/+174, 由于較強的庫侖吸引作用, 膜的形態(tài)呈現出一定程度的彎曲, 顆粒的一部分被膜包裹(圖3(c)). 由此可見, 在當前的系統(tǒng)中,靜電相互作用對于顆粒在膜表面的吸附起著重要的作用.

圖4給出了3種不同配體嫁接密度的納米顆粒嵌入或吸附于Ld疇含有帶電的DFPG脂分子的相分離膜的動力學過程. 與Lo疇帶電的情況(圖3)相似, 由于庫侖吸引相互作用, 帶正電的顆粒首先吸附于帶負電的Ld疇表面. 但不同顆粒最終的分布情況卻有所不同. 對于Au70/+70, 由于其表面配體的嫁接密度較低, 有一定的疏水性, 再加上Ld疇里脂分子排列比較松散無序, 所以表面部分疏水的Au70/+70最終嵌入到Ld疇內(圖4(a)).對于Au104/+104和Au174/+174, 由于它們有較大的配體嫁接密度和親水性且不易變形, 所以這兩種顆粒很難嵌入膜內疏水部分, 最終只是吸附于帶負電的Ld疇表面(圖4(b), (c)). 與Lo疇帶電情況不同, 由于Ld疇比較松散無序, 這兩種顆粒有更多的體積嵌進了膜內, 其中, 帶電較多的Au174/+174有大部分的體積被Ld疇包裹著(圖4(c)).

圖4 3種不同帶正電的納米顆粒吸附于由DPPC/DFPC&DFPG/CHOL組成的相分離膜上的動力學過程 (a) Au70/+70;(b) Au104/+104; (c) Au174/+174Fig.4. Dynamic processes of adsorption of three different positively charged nanoparticles into/onto the surface of the phaseseparated lipid bilayer composed of DPPC/DFPC&DFPG/CHOL: (a) Au70/+70; (b) Au104/+104; (c) Au174/+174.

進一步分別計算了Au70/+70和Au174/+174與帶負電的Lo疇和Ld疇的PMF并與電中性的Lo疇和Ld疇的PMF做比較, 從而深入理解帶正電的納米顆粒與帶負電相分離膜之間相互作用的微觀機制(圖5). 發(fā)現當這兩種顆粒吸附于帶負電的Lo疇表面時(對應圖3的情況), 均出現一個明顯的自由能極小值, 正是這個極小值使得帶正電的兩種顆粒都更傾向于吸附于帶負電的Lo疇表面,形成一種比較穩(wěn)定的結構(如圖5內的插圖). 另外, 從圖5(a)可以看出, Au70/+70有嵌入Ld疇的可能. 但由于Au70/+70與帶負電的Lo疇之間的庫侖吸引作用, 顆粒將首先吸附于Lo疇表面, 因此并沒有觀察到Au70/+70嵌入電中性的Ld疇的情況. 如果增加抽樣次數并延長足夠的模擬時間, 有可能觀察到Au70/+70嵌入Ld疇內的情況, 但這超出了現有的計算能力范圍.

對于帶負電的Ld疇(對應于圖4的情況), 兩種顆粒與Ld疇的PMF曲線比較相似, 系統(tǒng)的自由能都隨著顆粒與疇之間距離的減小而降低, 兩種顆粒均有嵌入膜內的傾向. Au70/+70由于配體嫁接密度較低, 容易變形, 帶電的配體的頭部均分布于脂質雙分子層親水的區(qū)域, 形成一種穩(wěn)定的嵌入結構(如圖4(a)所示). Au174/+174由于配體嫁接密度較高, 體積較大且不容易變形, 所以無法完全穿透膜, 只能部分嵌入膜, 形成被膜包裹的結構(如圖4(c)所示).

圖5 兩種帶正電的顆粒與帶電/中性的Lo/Ld脂質疇之間的PMF曲線 (a) Au70/+70; (b) Au174/+174Fig.5. PMF curves of two kinds of positively charged nanoparticles with charged/neutral Lo/Ld lipid domains: (a) Au70/+70; (b)Au174/+174.

3.2 帶負電的顆粒與帶負電的相分離膜之間的相互作用

接下來研究了帶負電的顆粒與帶負電的相分離膜之間的相互作用. 仍然分別考察了3種不同配體嫁接密度的納米顆粒與Lo疇帶負電和Ld疇帶負電的膜之間的相互作用(圖6). 結果表明, 不管是Lo疇帶負電的膜還是Ld疇帶負電的膜, 3種顆粒均吸附于兩疇交界處(Au70/-70)或電中性疇的表面上且所有的顆粒均無法嵌入膜內. 相關的實驗研究也表明帶負電的納米顆粒與生物膜之間的相互作用更弱, 細胞毒性更小[23]. 因此模擬的結果與實驗結果是定性一致的.

圖6 3種不同帶負電的納米顆粒吸附于DPPC&DPPG/DFPC/CHOL (a)—(c) 和DPPC/DFPC&DFPG/CHOL (d)-(f) 組成的相分離的膜表面上在模擬時間為15 μs時的穩(wěn)定結構Fig.6. Final stable structures of adsorption of Au70/-70, Au104/-104, Au174/-174 onto the surface of DPPC&DPPG/DFPC/CHOL(a)-(c) and DPPC/DFPC&DFPG/CHOL (d)-(f) phase-separated lipid bilayers at the simulation time of 15 μs.

為了理解Au70/-70顆粒與Lo疇帶電的相分離膜及Ld疇帶電的相分離膜之間的相互作用, 計算了Au70/-70顆粒與這兩種疇之間的PMF (圖7).從曲線上可以看出, 由于顆粒和DPPG或DFPG均帶負電, 為了中和負電荷, 系統(tǒng)里加入了相應數量Na+, 較多數量Na+的存在屏蔽了顆粒與帶電疇之間的相互排斥作用[57], 從而使得顆粒與膜的表面接觸時, 與兩個疇的PMF的值都差不多, 沒有表現出對某一個疇明顯的親和性. 而兩疇交界面處脂分子比較無序, 存在一定的缺陷, 所以Au70/-70顆粒最終分布于兩疇交界處且部分嵌入了膜內(如圖6(a), (d)所示). 顆粒與Ld疇的PMF曲線也表明隨著顆粒與疇之間距離的減少, 顆粒與帶電或不帶電疇之間的PMF值降低. 但由于顆粒表面吸附有一定量的Na+, 顆粒表面表現出較強的親水性,所以顆粒完全嵌入Ld疇(對應圖7中R= 0 nm處)與顆粒吸附于膜表面(對應圖7中R≈ 5.0 nm處)的 PMF的差值 (≈ 100—200 kJ/mol)并不大, 則顆粒進入Ld疇的概率較低, 在我們的模擬中沒有觀察到Au70/-70嵌入Ld疇的情況. 如果抽樣次數足夠多且模擬時間足夠長, Au70/-70也有可能嵌入Ld疇內.

圖7 Au70/-70與帶電/中性的Lo/Ld脂質疇之間的PMF曲線Fig.7. PMF curves of Au70/-70 with charged/neutral Lo/Ld lipid domains.

對于Au104/-104和Au174/-174兩種顆粒, 由于他們表面嫁接有較多的帶電配體, 系統(tǒng)中相應的Na+濃度也增加, 顆粒與帶負電的Lo或Ld疇表現出排斥相互作用, 所以他們傾向于吸附在中性疇的表面上(如圖6(b), (c), (e), (f)所示). 另一方面,這些顆粒表面有較強的親水性, 這些親水的配體不喜歡與疏水的脂分子尾鏈接觸, 所以即使它們吸附在脂分子排列較松散無序的Ld疇的表面, 也無法嵌入膜內. 與顆粒帶正電的情況不同, 帶負電的顆粒與Ld疇內的脂分子頭之間不存在較強的吸引相互作用, 所以也無法形成如圖4所示的顆粒被膜包裹的結構.

3.3 顆粒表面的疏水性對其與帶電相分離生物膜之間相互作用的影響

通過改變顆粒表面帶電配體的比例和配體嫁接密度, 研究了顆粒表面的疏水性對顆粒與帶電相分離生物膜之間相互作用的影響.

首先, 研究了表面部分帶正電的Au104/+70與Lo疇含帶電DPPG (圖8(a))和Ld疇含有帶電的DFPG的相分離膜之間的相互作用(圖8(b)).結果表明, 當Lo疇帶電時, Au104/+70吸附于Lo疇的表面, 而當Ld疇帶電時, Au104/+70則嵌入了Ld疇內. 其次, 研究了 Au174/+70和 Lo疇帶電(圖8(c))和Ld疇帶電(圖8(d))的相分離膜之間的相互作用. 在這兩種情況下, Au174/+70顆粒都嵌入了Ld疇內.

對于Au104/+70, 由于顆粒表面大部分的配體帶正電, 顆粒表面局域電荷密度較大, 顆粒受帶負電的脂分子(DPPG或DFPG)的靜電吸引力也比較大, 所以Au104/+70的最終分布主要由顆粒與帶電疇之間的庫侖吸引作用決定. 當Lo疇帶電時,由于Lo疇內脂分子排列較有序, 顆粒很難嵌入疇內, 所以Au104/+70被吸附于Lo疇的表面(如圖8(a)所示); 當Ld疇帶電時, 由于Ld疇內分子排列較無序, 再加上顆粒表面還有一些疏水性的中性配體, 所以被帶電脂分子吸引的Au104/+70顆粒最終嵌入Ld疇內(如圖8(b)所示). 對于Au174/+70, 帶電配體所占比例較小, 顆粒表面局域電荷密度也較小, 顆粒受膜內帶負電的脂分子的影響較小. 另一方面, 由于不帶電的配體是疏水性的, Au174/+70的表面有較強的疏水性, 所以它更傾向于從Ld疇嵌入膜內疏水的區(qū)域(如圖8(c), (d)所示).

圖8 兩種不同的表面部分帶正電的納米顆粒吸附或嵌入DPPC&DPPG/DFPC/CHOL (a), (c) 和DPPC/DFPC&DFPG/CHOL (b), (d) 組成的相分離的膜表面或內部在模擬時間為15 μs時的穩(wěn)定結構Fig.8. Final stable structures of adsorption/penetration of Au104/+70 and Au174/+70 onto/into the DPPC&DPPG/DFPC/CHOL (a), (c) and DPPC/DFPC&DFPG/CHOL(b), (d) phase-separated lipid bilayers at the simulation time of 15 μs.

圖9 兩種不同的表面部分帶負電的納米顆粒吸附或嵌入DPPC&DPPG/DFPC/CHOL (a), (c) 和DPPC/DFPC&DFPG/CHOL (b), (d) 組成的相分離的膜表面或內部在模擬時間為15 μs時的穩(wěn)定結構Fig.9. Final stable structures of adsorption/penetration of Au104/-70 and Au174/-70 onto/into the DPPC&DPPG/DFPC/CHOL (a), (c) and DPPC/DFPC&DFPG/CHOL(b), (d) phase-separated lipid bilayers at the simulation time of 15 μs.

進一步考察了部分配體帶負電的納米顆粒與含有帶負電脂分子的相分離膜之間的相互作用(圖9). 與部分配體帶正電的顆粒的情況不同, 對于Au104/-70, 無論是Lo疇還是Ld疇帶負電, 顆?？偸俏接谀け砻鎯僧牻唤缣? 不會嵌入膜內(如圖9(a), (b)所示). 這種情況與前面討論的Au70/-70與膜之間的相互作用類似, 由于較多Na+的存在, Au104/-70與帶負電的Lo或Ld疇之間的排斥相互作用被屏蔽了一部分, 所以Au104/-70無論是對Lo疇還是Ld疇都不顯示出明顯的親和性, 最終分布于兩疇交界處. 對于Au174/-70, 顆粒表面的疏水性起主導作用, 所以不管是Lo疇還是Ld疇帶負電, Au174/-70顆?？偸遣糠只蛉壳度隠d疇內(如圖9(c), (d)所示).

4 結 論

本文采用粗?；姆肿觿恿W方法詳細研究了帶電納米顆粒與含有帶負電脂分子的相分離脂質雙層膜之間的相互作用. 分別考察了顆粒表面配體的嫁接密度、配體帶電種類和比例以及膜內帶電脂分子的種類等因素對顆粒與膜之間相互作用的影響. 研究結果表明, 顆粒有兩種分布狀態(tài): 一種是吸附于膜的表面, 另一種是嵌入膜內. 顆粒表面的親疏水性決定了顆粒最終是吸附于膜表面還是嵌入膜內. 如果顆粒表面親水性較強, 則顆粒傾向于吸附于膜的表面; 反之如果顆粒表面疏水性較強, 則顆粒傾向于嵌入膜內. 對于吸附于膜表面的顆粒, 它最終吸附于Lo疇還是Ld疇的表面主要由顆粒表面的電荷與帶電脂分子頭部電荷之間的相互作用決定. 對于能夠嵌入膜內的顆粒, 它們總是嵌入脂分子排列比較無序的Ld疇. 顆粒表面的親疏水性與其表面嫁接的配體密度, 電荷數目以及吸附的反離子數目有關.

本文的結果提供了一種通過改變納米顆粒表面配體和膜內脂分子的帶電性質來調節(jié)納米顆粒與生物膜之間相互作用的方法, 這對于納米顆粒在納米醫(yī)藥、細胞成像等領域的應用具有一定的參考意義.