C60、脂質納氣泡與類細胞膜作用的分子動力學模擬研究.pdf

1、細胞是生命體的基本活動單元，納米材料的應用離不開與細胞膜的作用，從分子層面上揭示其與細胞膜之間的作用機制，對其生物醫(yī)學應用具有啟示意義。近年來，隨著計算機技術的不斷發(fā)展以及分子模擬和實驗研究的廣泛結合，分子模擬研究方法在納米生物學研究領域占據(jù)越來越重要的地位。本文利用粗粒度分子動力學模擬方法研究了納米材料（C60、脂質納氣泡）與磷脂雙層膜（類細胞膜模型）的作用。
　　1、C60納米材料由于其獨特屬性廣泛應用于納米醫(yī)學領域。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，造成機體的損害。因此，研究C60與細胞膜的微觀作用機理，對其在生物醫(yī)學的安全應用具有重要意義。另一方面，膽固醇是細胞膜的重要組成成分，它對細胞膜的結構和小分子的滲透有重要影響。不同功能部位的細胞膜中膽固醇的含量存在差異。膽固醇對C60跨膜的影響還未闡明。因此，本文我們研究膽固醇濃度對C60跨磷脂雙層膜的影響。構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％。通過一系列的動力學模擬結果，研究膽固醇對磷脂雙層膜的凝固作用（condensation effect），表現(xiàn)為脂質分子的平均單脂面積降低，膜厚增加，尾鏈有序性增加。在C60的跨膜動力學過程中，發(fā)現(xiàn)C60能自發(fā)地進入膜內，并穩(wěn)定存在于疏水區(qū)而不會從另一側出去。我們計算不同體系的自由能曲線，發(fā)現(xiàn)從水相到膜內只有很小的能壘，C60能克服這個能壘進入膜內，而從膜內到水相有很大的勢壘，C60不會從另一側出去，穩(wěn)定地存

4、在于疏水區(qū)。我們還計算了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。這些主要歸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，導致分子擴散變慢。
　　2、脂質納氣泡作為目前最有效的超聲造影劑，在超聲的作用下，不僅能夠增強造影效果，而且其聲孔效應能應用于藥物或基因治療。較大超聲強度可以使脂質納氣泡破裂產(chǎn)生沖擊波及液體射流。為了研究沖擊作用下脂質納氣泡對磷脂雙層膜的影響，進

5、行非平衡動力學模擬。通過設置不同的顆粒速度，產(chǎn)生不同速度的沖擊波。研究沖擊波的速度和脂質納氣泡的尺寸對結果的影響。動力學模擬結果顯示，非平衡動力學模擬中會有沖擊波產(chǎn)生，其沿著體系+z方向傳播，當運動到脂質納氣泡的近端時，開始壓縮脂質納氣泡，直到脂質納氣泡破裂，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。此納米水射流會對磷脂雙層膜產(chǎn)生作用，使磷脂雙層膜發(fā)生結構形變，在沖擊波速度較大時，磷脂雙層膜會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散到磷脂雙層膜疏水區(qū)的現(xiàn)象。納米水射流的強度和磷脂雙層膜的損傷程度與沖擊波的速度和脂質納氣泡的尺寸有關。盡管脂質納氣泡破裂產(chǎn)生的納米水射流會使磷脂雙層膜發(fā)生形變，但受損的磷脂雙層膜是可以恢復的。我們對受到損傷的體系部分截取構成新體系，其包含磷脂雙層膜及周圍若干水分子，進行恢復過程模擬。模擬結果表明膜表面的孔洞開始急速擴大，達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)生的孔洞是瞬時可逆的。此