小尺寸纳米颗粒跨膜扩散的动力学仿真

尺寸是影响纳米材料与生物膜相互作用的一个重要因素。本文应用粗粒度分子动力学模拟了颗粒的尺寸因素对纳米颗粒跨膜扩散过程的影响。文中构造了三种不同尺寸的疏水纳米颗粒体系：NP1-1.284nm，NP2-2.098nm，NP3-2.912nm，并通过计算平均单脂面积、自由能变化曲线、扩散系数、平均跨膜时间等参数，分别对颗粒与膜作用过程中，膜结构的变化、颗粒入膜的动态信息和体系的热力学参数的变化等参量进行了表征。在模拟中发现，疏水性颗粒与仿生磷脂膜作用，会通过在膜上成孔的方式渗透进膜中，随着颗粒的逐步深入，双层膜表面的孔洞也会逐步愈合。颗粒会颗粒嵌入膜内是自发的行为，就本文所考察的几个尺寸的颗粒而言，较大的颗粒更容易嵌入到磷脂膜的内部。颗粒的嵌入会影响膜结构，膜在嵌入区域的平均单脂面积变大，这种变化会随着颗粒尺寸的增大而变得更为明显。纳米颗粒嵌入膜中后，仍会在膜的内部运动，但其运动轨迹基本会保持在膜质心平面附近。颗粒在膜内部的运动情况与颗粒的尺寸相关，随着尺寸的增加，纳米颗粒的扩散率呈减小的趋势；同时，颗粒的膜内运动也和颗粒周围的膜分子密度分布相关。随着颗粒在膜内的逐步深入，其在膜内z方向的平均跨膜时间也逐渐呈现出非线性变化的趋势，较小尺寸的颗粒的跨膜时间会随着膜密度的变小而逐步变大。纳米颗粒在模拟运动中的这种差异是由于尺寸导致的颗粒与膜分子之间的作用能和膜分子的热涨落所造成的。

Xubo Lin, Yang Li, and Ning Gu, Nanoparticle's Size Effect on Its Translocation Across a Lipid Bilayer: a Molecular Dynamics Simulation, J. Comput. Theor. Nanosci., 7: 269-276 (2010)

fig1：纳米颗粒与磷脂双层膜沿z轴的质心距离变化，图（a）、（b）、（c）分别代表NP1、NP2、NP3体系。图中，红色虚线表示DPPC脂质分子头基的密度峰值，子图A）为3ns后z值统计直方图；子图B）为体系的稳定构象截图。