Science Advances：石墨烯納米片在細胞雙層（céng）磷脂膜（mó）間的輸運機理

Science Advances：石墨烯納米片在細胞雙層磷（lín）脂膜間的輸運機理

6月7日，清華大學化（huà）工係燕立（lì）唐課題組與中國科學院過程所魏煒課題組合作在《科學進展》(Science Advances)發（fā）表文章《石墨烯納米片在細胞膜夾層間（jiān）的輸運》(Transport of a graphene nanosheet sandwiched inside cell membranes)，該研究首次（cì）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（lì）學，為基（jī）於膜蛋白的靶向給藥提供了新的途徑。

隨著生物醫學（xué）科學的進步，運用藥物載體將藥物輸送到（dào）靶向器官，並控製藥物的釋（shì）放速率已經變（biàn）得越來越重要，因此迫切需要（yào）尋找具有（yǒu）良好生物相容性的藥物載體材（cái）料。氧化石墨烯作為一種新型（xíng）的二維納米材料，由於（yú）其較大的比表麵積及（jí）較多的官能團，可以作為潛在的藥物載體用（yòng）於疾病的診斷和治療。但是，囿於氧化石墨（mò）烯納米（mǐ）片極小的尺度及其與細胞膜複雜的相互作用關係，氧化石墨烯在細（xì）胞膜上運輸（shū）的詳細動力學過程和（hé）潛在（zài）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。

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

近年來，大量理論研（yán）究表明，質樸的石墨烯和（hé）氧化程度（dù）較（jiào）低（dī）的氧化石墨烯會與（yǔ）細胞（bāo）膜相互作用（yòng），形成一種獨特的夾層結構，即氧化石墨烯會始終（zhōng）存在於磷脂雙分子層（céng）的（de）內部疏水區。氧化石（shí）墨烯在（zài）這種非常規生物納米界麵上的擴散行為顯然不同於三維球形納米粒子（zǐ）在細胞膜表麵的輸運（yùn）動力學，因此研究氧化石墨烯在雙層磷脂膜中間的擴散，一方麵有利於進一步了解氧化石墨（mò）烯與細胞膜的相互作用機理，另一方麵也能促進其在生物醫（yī）學（xué）領域的發展，研究出更多新型的納米醫藥技術（shù）上的應用。

此次，清華大學化工係燕（yàn）立（lì）唐課題組與中國科（kē）學院過程所魏煒課題組等（děng）合作，首先（xiān）從（cóng）實驗上證明了氧化（huà）石墨烯在雙層磷脂膜中間（jiān）形成獨特的三明治狀夾層結構。隨後，基於模擬和理論研究，研究者發現隨著氧化石墨烯表（biǎo）麵氧（yǎng）化程度（dù）的提（tí）高，其（qí）在細胞膜（mó）間的擴（kuò）散行為會發生（shēng）從布（bù）朗運動（dòng）到Lévy行走（zǒu）再到定向輸運的轉變。這種擴（kuò）散行為轉變的根本原因在於氧（yǎng）化石墨烯氧化程度和表麵修飾物的改變（biàn）會導致細胞膜表麵形成四種不同的微（wēi）孔狀態。研（yán）究（jiū）者進一步定量化了這些膜孔狀態與氧化石墨烯與細胞膜間相互作用強度的關（guān）係，從而對Lévy擴散和定向（xiàng）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（yǎng）化石墨烯可以作為藥物載體（tǐ），實現對基於細胞膜蛋白（bái）的靶向藥物遞送效（xiào）率的有（yǒu）效增強。該研究為探索新型二維納（nà）米材料的生物醫學應用提供了嶄新的思路與（yǔ）指導。

 清華大（dà）學化工係博士研究（jiū）生陳鵬宇和中國科學院過程所嶽華副研究員為本文（wén）並列第一作者，清華大學（xué）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該（gāi）項研究共同通訊作者。清華大學為第一（yī）完成單位。西安科技大學翟嘯波教授（shòu）對冷凍電鏡的重構提（tí）供（gòng）了協助（zhù）。該研（yán）究得到國家重點（diǎn）研發計（jì）劃、國家自（zì）然科學基金和清華大學人才啟動基金等（děng）項目的資助。

近年來（lái），燕立唐課題組致力於複雜大分子體係及其粒子多層次結構與統計力學（xué）行為的理論計算與（yǔ）模擬研究（jiū）。發展（zhǎn）了一係列新的計算模型和理論方法（fǎ），促進了此類體係中所涉（shè）及的新概念、新方法（fǎ）、新結構以（yǐ）及新體係的建立和發（fā）展，為軟凝聚態（tài）物理、材料（liào）科學和生物醫學等相關研究領域（yù）提供創新的理論基（jī）礎。相關工作係列發表在《美國化學學會·納米》（ACS Nano 2018, 12, 9467-9475）；《納米（mǐ）快報》（Nano Letters 2014, 14, 6910-6916）等知名期刊上。近日，該（gāi）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（tǐ）轉（zhuǎn）變》（Plastic Crystal-to-Crystal Transition of Janus Particles under Shear），係統研究了密堆積（jī）Janus粒子體係（xì）在剪切場存在時的結構演（yǎn）變及動力學行為。該研究團隊還受邀在美國化學會旗下的《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（chǎn）述了大分子界麵（miàn）自組裝的熵調控策略，克服了（le）熵增對應結構無序化的傳統觀念，為界麵自組裝的精準構築和動態調控提供了新方法，也為開發界麵結構可控的（de）新型聚合物基納米複合材（cái）料提供（gòng）了新思路和理論指導。

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