Science Advances：石墨烯納米片在細胞雙層磷脂膜間的輸運機理

Science Advances：石墨烯納米片在細胞雙層磷脂膜間的輸運機理

6月7日，清華大學化工係燕立唐課題組與(yu) 中國科學院過程所魏煒課題組合作在《科學進展》(Science Advances)發表文章《石墨烯納米片在細胞膜夾層間的輸運》(Transport of a graphene nanosheet sandwiched inside cell membranes)，該研究首次闡述了二維納米片在磷脂雙分子層間的輸運機理和擴散動力學，為(wei) 基於(yu) 膜蛋白的靶向給藥提供了新的途徑。

隨著生物醫學科學的進步，運用藥物載體(ti) 將藥物輸送到靶向器官，並控製藥物的釋放速率已經變得越來越重要，因此迫切需要尋找具有良好生物相容性的藥物載體(ti) 材料。氧化石墨烯作為(wei) 一種新型的二維納米材料，由於(yu) 其較大的比表麵積及較多的官能團，可以作為(wei) 潛在的藥物載體(ti) 用於(yu) 疾病的診斷和治療。但是，囿於(yu) 氧化石墨烯納米片極小的尺度及其與(yu) 細胞膜複雜的相互作用關(guan) 係，氧化石墨烯在細胞膜上運輸的詳細動力學過程和潛在的分子機製仍知之甚少，這極大的限製了納米載藥技術的發展。

氧化石墨烯與(yu) 細胞雙層磷脂膜作用的狀態、動力學路徑及物理原理的模擬計算與(yu) 理論分析

近年來，大量理論研究表明，質樸的石墨烯和氧化程度較低的氧化石墨烯會(hui) 與(yu) 細胞膜相互作用，形成一種獨特的夾層結構，即氧化石墨烯會(hui) 始終存在於(yu) 磷脂雙分子層的內(nei) 部疏水區。氧化石墨烯在這種非常規生物納米界麵上的擴散行為(wei) 顯然不同於(yu) 三維球形納米粒子在細胞膜表麵的輸運動力學，因此研究氧化石墨烯在雙層磷脂膜中間的擴散，一方麵有利於(yu) 進一步了解氧化石墨烯與(yu) 細胞膜的相互作用機理，另一方麵也能促進其在生物醫學領域的發展，研究出更多新型的納米醫藥技術上的應用。

此次，清華大學化工係燕立唐課題組與(yu) 中國科學院過程所魏煒課題組等合作，首先從(cong) 實驗上證明了氧化石墨烯在雙層磷脂膜中間形成獨特的三明治狀夾層結構。隨後，基於(yu) 模擬和理論研究，研究者發現隨著氧化石墨烯表麵氧化程度的提高，其在細胞膜間的擴散行為(wei) 會(hui) 發生從(cong) 布朗運動到Lévy行走再到定向輸運的轉變。這種擴散行為(wei) 轉變的根本原因在於(yu) 氧化石墨烯氧化程度和表麵修飾物的改變會(hui) 導致細胞膜表麵形成四種不同的微孔狀態。研究者進一步定量化了這些膜孔狀態與(yu) 氧化石墨烯與(yu) 細胞膜間相互作用強度的關(guan) 係，從(cong) 而對Lévy擴散和定向輸運的物理本質給出了深入的解釋。同時，實驗和理論結果都揭示了夾層結構的氧化石墨烯可以作為(wei) 藥物載體(ti) ，實現對基於(yu) 細胞膜蛋白的靶向藥物遞送效率的有效增強。該研究為(wei) 探索新型二維納米材料的生物醫學應用提供了嶄新的思路與(yu) 指導。

 清華大學化工係博士研究生陳鵬宇和中國科學院過程所嶽華副研究員為(wei) 本文並列第一作者，清華大學化工係長聘副教授燕立唐及中國科學院過程所研究員魏煒為(wei) 該項研究共同通訊作者。清華大學為(wei) 第一完成單位。西安科技大學翟嘯波教授對冷凍電鏡的重構提供了協助。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和清華大學人才啟動基金等項目的資助。

近年來，燕立唐課題組致力於(yu) 複雜大分子體(ti) 係及其粒子多層次結構與(yu) 統計力學行為(wei) 的理論計算與(yu) 模擬研究。發展了一係列新的計算模型和理論方法，促進了此類體(ti) 係中所涉及的新概念、新方法、新結構以及新體(ti) 係的建立和發展，為(wei) 軟凝聚態物理、材料科學和生物醫學等相關(guan) 研究領域提供創新的理論基礎。相關(guan) 工作係列發表在《美國化學學會(hui) ·納米》（ACS Nano 2018, 12, 9467-9475）；《納米快報》（Nano Letters 2014, 14, 6910-6916）等知名期刊上。近日，該研究團隊在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表《剪切下Janus粒子的塑晶-晶體(ti) 轉變》（Plastic Crystal-to-Crystal Transition of Janus Particles under Shear），係統研究了密堆積Janus粒子體(ti) 係在剪切場存在時的結構演變及動力學行為(wei) 。該研究團隊還受邀在美國化學會(hui) 旗下的《化學研究評論》（Accounts of Chemical Research）期刊上發表綜述論文《通過熵調控納米粒子的界麵組裝》（Tailoring Interfacial Nanoparticle Organization through Entropy）。係統闡述了大分子界麵自組裝的熵調控策略，克服了熵增對應結構無序化的傳(chuan) 統觀念，為(wei) 界麵自組裝的精準構築和動態調控提供了新方法，也為(wei) 開發界麵結構可控的新型聚合物基納米複合材料提供了新思路和理論指導。

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