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，清華大學化工系燕立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，為基于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，運用藥物載體將藥物輸送到靶向器官，并控制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材料。氧化石墨烯作為一種新型的二維納米材料，由于其較大的比表面積及較多的官能團，可以作為潛在的藥物載體用于疾病的診斷和治療。但是，囿于氧化石墨烯納米片極小的尺度及其與細胞膜復雜的相互作用關系，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制仍知之甚少，這極大的限制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、動力學路徑及物理原理的模擬計算與理論分析

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與細胞膜相互作用，形成一種獨特的夾層結構，即氧化石墨烯會始終存在于磷脂雙分子層的內部疏水區。氧化石墨烯在這種非常規生物納米界面上的擴散行為顯然不同于三維球形納米粒子在細胞膜表面的輸運動力學，因此研究氧化石墨烯在雙層磷脂膜中間的擴散，一方面有利于進一步了解氧化石墨烯與細胞膜的相互作用機理，另一方面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，清華大學化工系燕立唐課題組與中國科學院過程所魏煒課題組等合作，首先從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。隨后，基于模擬和理論研究，研究者發現隨著氧化石墨烯表面氧化程度的提高，其在細胞膜間的擴散行為會發生從布朗運動到Lévy行走再到定向輸運的轉變。這種擴散行為轉變的根本原因在于氧化石墨烯氧化程度和表面修飾物的改變會導致細胞膜表面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氧化石墨烯與細胞膜間相互作用強度的關系，從而對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藥物載體，實現對基于細胞膜蛋白的靶向藥物遞送效率的有效增強。該研究為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指導。

 清華大學化工系博士研究生陳鵬宇和中國科學院過程所岳華副研究員為本文并列第一作者，清華大學化工系長聘副教授燕立唐及中國科學院過程所研究員魏煒為該項研究共同通訊作者。清華大學為第一完成單位。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，燕立唐課題組致力于復雜大分子體系及其粒子多層次結構與統計力學行為的理論計算與模擬研究。發展了一系列新的計算模型和理論方法，促進了此類體系中所涉及的新概念、新方法、新結構以及新體系的建立和發展，為軟凝聚態物理、材料科學和生物醫學等相關研究領域提供創新的理論基礎。相關工作系列發表在《美國化學學會·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-晶體轉變》（Plastic Crystal-to-Crystal Transition of Janus Particles under Shear），系統研究了密堆積Janus粒子體系在剪切場存在時的結構演變及動力學行為。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面組裝》（Tailoring Interfacial Nanoparticle Organization through Entropy）。系統闡述了大分子界面自組裝的熵調控策略，克服了熵增對應結構無序化的傳統觀念，為界面自組裝的精準構筑和動態調控提供了新方法，也為開發界面結構可控的新型聚合物基納米復合材料提供了新思路和理論指導。

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