不同形状纳米粒子与生物膜相互作用的研究

【摘要】细胞膜又称细胞质膜，是指围绕在细胞最外层，主要由脂类和蛋白质组成的一层高选择透过性薄膜。细胞膜是防止细胞内外物质自由出入的屏障，它既能使细胞具有一个相对稳定的内环境选择性的调节物质进出细胞。同时细胞膜在物质转运、信息识别及生存、生长、分裂和分化过程中起着十分重要的作用。近几十年纳米科学作为新兴技术与众多学科交叉，形成了纳米化学、纳米生物学这样的分支学科。纳米粒子在药物载体制备、成像材料、生物医学传感器有着广泛的应用前景。由于纳米粒子在运用与生物体内的特异性强、选择性高等特点攻克了许多生物医学界的难题。正是由于生物膜及纳米粒子这些重要的作用，研究它们的作用有着十分重要的意义。但是由于实验条件的限制，有些作用机理还是无法被直接观测的。而计算机模拟可以克服这些困难，并较为完善的研究纳米粒子及生物膜体系并为今后的实验提供一定的理论指导和依据。因此本文采用实空间自洽平均场理论，对纳米粒子—生物膜体系进行模拟研究。本文主要由以下两方面组成：1.利用自洽场方法模拟不同形状纳米粒子的跨膜运输过程。主要内容包括以下几部分：（1）对相同体积的球形、长棒状、短棒状三种几何形状的纳米粒子的穿膜过程进行相关能量对比。研究表明，对于同体积的纳米粒子。短棒状的纳米粒子更容易穿透生物膜且过程所需能量最少。（2）研究了不同尺寸的棒状纳米粒子的穿膜过程。研究得出了棒状纳米粒子穿透细胞膜最适尺寸范围。在此范围之内纳米粒子穿膜不会破坏细胞膜，在此范围之外纳米粒子穿膜会造成细胞膜的破裂，纳米粒子表现出很强的细胞毒性。（3）通过对同体积不同边长的棒状纳米粒子进行研究，得到纳米粒子在穿透细胞膜过程中的旋转现象，并得出纳米粒子会选择与生物膜接触较少的边通过细胞膜。若是长边接触则会发生旋转。（4）研究了纳米粒子表面化学特性对穿透细胞膜过程的影响。研究得出亲水性纳米粒子更容易穿透细胞膜。2.对多个纳米粒子体系穿透生物膜的过程进行模拟研究，结果如下：（1）对于有细胞毒性的球状纳米粒来说，小尺寸的纳米粒子会选择聚集在一起来减小粒子的细胞毒性。（2）在多个纳米粒子穿膜过程中，调节纳米粒子间的距离可以使细胞膜出现小孔洞。模拟得到了细胞膜形成孔洞的最佳条件，并研究了生物膜形成孔洞后对纳米粒子穿透细胞膜的影响。（3）研究了多个纳米粒子穿透细胞膜时纳米粒子排列形式对穿膜过程的影响。得到了多个纳米粒子更倾向于排列成链状来减少穿膜所需能量。综上所述，纳米粒子的跨膜运输过程受到纳米粒子几何形状、尺寸、理化性质、排列方式的影响。这对于生物体实验及纳米药物载体的制备提供了一定的指导。
【作者】张星；
【导师】张进军；
【作者基本信息】山西师范大学，化学，2014，硕士
【关键词】纳米粒子；细胞膜；跨膜运输；自洽场理论；

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