纳米颗粒与生物膜相互作用的自洽场理论研究

论文摘要

纳米颗粒与生物膜间的相互作用对纳米颗粒在细胞成像、生物传感器的设计、药物输送及疾病诊断和治疗等方面的应用有着重要的影响。近几年,对纳米颗粒与生物膜之间相互作用的研究吸引了大量从事生物、物理、化学等领域科研工作者的广泛兴趣。生物膜是包围在生物细胞及细胞器表面的双层膜,它将细胞及细胞器与周围的环境分割开来,在生物体内起重要作用。当纳米颗粒镶嵌在膜表面或膜内部时,膜的形状会发生变化,同时膜内其他分子也会受其影响,重新排列。膜的这种形变又会影响纳米颗粒间有效相互作用及其分布。国内外对纳米颗粒与生物膜相互作用的实验和理论研究相对活跃,但由于尺寸的体系较小,且体系又是高度存在的,用实验研究比较困难,又因为生物膜与纳米颗粒间的相互作用比较复杂,体系的微观性质及很多实验结果的微观物理机制仍然很不清楚。本文中,采用高分子体系的自洽场理论方法,重点考察在不同相互作用条件下纳米颗粒跨膜输运过程中生物膜的形变情况及系统自由能的变化情况。结果表明：在纳米颗粒跨膜输运的过程中,随着纳米颗粒与生物膜之间相互作用的改变,生物膜的形状呈现出不同的形变；进一步,通过对系统自由能变化的分析,发现纳米颗粒与生物膜之间的相互作用能显著影响颗粒跨膜输运的难易程度。这些结果将为纳米颗粒在生物领域的相关应用提供一些理论参考。本论文中,我们着重从理论上研究纳米颗粒与生物膜的相互作用对纳米颗粒跨膜输运的影响,解释了一些实验现象,预测了一些实验上没有观察到的结果,并提出了一种调控生物膜的各种成分在生物膜中分布的方法。本文主要包括以下几个方面的内容：第一章中,简单了解生物膜体系及其分子的构成。重点介绍生物膜与纳米颗粒之间相互作用的研究进展及其应用；以及影响生物膜与纳米颗粒之间相互作用及纳米颗粒跨膜输运的微观动力学过程的相关因素。第二章中,先简单介绍研究生物膜模型的进展及方法,方法包括微观的全原子尺度模型、宏观的唯象模型,以及介观的粗粒化场理论模型。建立在正则系综的基础上,对自洽场理论模型进行重点介绍。利用高斯模型逐步地介绍了自洽场方法的来由,进一步介绍自洽场方法在简单的嵌段共聚物体系中的应用,为研究生物膜与纳米颗粒之间的相互作用的问题作了铺垫。自洽场理论作为一种粗粒化的平均场理论模型,能够非常容易地处理尺寸较大的生物膜体系,并能方便的给出系统的自由能、熵、相互作用能、系统的微观结构等信息。它虽然忽略了好多细节,但是却能很好的反应生物膜内的磷脂分子的双亲性、有效形状以及链的柔性等性质。第三章中,主要介绍了自洽场理论在生物膜与纳米颗粒之间相互作用体系中的应用,考察不带电的纳米颗粒(例如聚乙二醇包裹的四氧化三铁纳米颗粒)与生物膜之间的相互作用对纳米颗粒跨膜输运过程中系统自由能的变化情况以及生物膜的形变的影响。通过改变纳米颗粒与生物膜之间的相互作用揭示相互作用影响纳米颗粒跨膜输运的微观机制。第四章中,是对全文工作的总结和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1. 绪论
• 1.1 生物膜
• 1.2 影响生物膜与纳米颗粒间相互作用的因素
• 1.3 生物膜与纳米颗粒间相互作用的研究进展
• 1.3.1 纳米粒子的生物成像
• 1.3.2 纳米粒子与生物膜相互作用在医学领域上的应用
• 1.4 本章小结
• 2. 自洽场理论模型的研究
• 2.1 生物膜模型方法的简介
• 2.2 自洽场理论模型
• 2.2.1 聚合物的高斯链模型
• 2.2.2 嵌段共聚物的自洽场理论（Self Consistent Field Theory）
• 2.3 本章小结
• 3. 自洽场理论在生物膜和纳米颗粒体系中的应用
• 3.1 研究背景
• 3.2 模型及方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 4. 全文展望
• 参考文献
• 攻读学位硕士取得的研究成果