关于纳米水凝胶在生物膜环境中的“机械化学”跨膜行为研究

来源：高分子科学前沿

微纳界面体系与新能源、膜分离、界面催化、气体捕集储存等众多研究前沿紧密相关。随着界面化工新技术和微型器件与设备的开发及应用，界面体系的调控与强化作用的重要性日益凸显。微纳界面体系的基础研究属于化工-化学交叉前沿，既不适用传统唯象理论，也无法采用量子力学开展研究，如何发展合适的定量模型来描述界面作用机理是微纳界面体系研究面临的瓶颈和挑战。

华东理工大学化工学院赵双良教授（现加入广西大学）课题组聚焦这一学科前沿，发展及应用统计力学模型并结合计算机模拟，对微纳界面体系开展应用基础研究，在界面体系热力学及分子扩散等研究方面取得了一批特色研究成果。最近，赵双良教授和重庆三峡学院宋先雨博士（原华东理工大学赵双良教授团队博士生）利用耗散粒子动力学（Dissipative Particle Dynamics）和拉伸分子动力学（Steered Molecular Dynamics）系统研究了纳米水凝胶在生物膜环境中的界面作用机理，阐释了纳米水凝胶内化路径同时受水凝胶机械强度及包封能力的界面调控机制。相关研究成果发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》，《Macromolecules》，《Journal of Physical Chemistry C》和《Langmuir》等期刊上。

纳米载药是21世纪最重要的研究主题之一，也是典型的微纳界面体系。纳米水凝胶广泛用于封装、储存和运输治疗剂等智能系统，是未来最具前途和应用价值的纳米载体之一。关于聚合物纳米载体递送路径已有相当多的理论和实验研究。实际上，已报道的纳米载体治疗肿瘤的实验中，多达97％是通过“主动运输”被转运到实体瘤中而非传统的“被动运输”。而且，只有不到1％注射量的纳米载体被转运到实体瘤中。较低的递送功效是由于它们在肿瘤中的不良蓄积行为及不良的药物动力学所致。因此，理解和认识纳米载体在细胞摄取内化过程中的分子相互作用机制对设计高递送率的纳米载体至关重要。

与具有高交联密度和低封装能力的纳米水凝胶容易被膜部分包裹，而低交联密度和高封装能力的纳米水凝胶更容易渗透到膜中。无论交联密度如何，纳米水凝胶在内化过程中受到“弹性毛细”作用的控制，都会经历不同程度的结构性形变，即由球形变为椭球形再恢复至球形。在膜内化过程中，脂质体和受体分子间表现出不同扩散行为，脂质体在膜与纳米水凝胶接触区域形成局部的纳米域，而受体分子迁移至水凝胶内部，水凝胶进而溶胀。相关机理如图1所示。模拟结果中的纳米水凝胶形态形变、脂质体和受体扩散性质均与实验比较相吻合。

图 1 同质纳米水凝胶的“机械化学”细胞膜内化机制

该团队还首次研究了结构异质水凝胶--蛋黄@壳水凝胶的生物膜内化机制。与同质的水凝胶相比，结构异质水凝胶呈现出不同的“机械化学”生物膜内化行为，具有强亲和力的蛋黄结构直接与膜接触，导致部分膜包裹；与同质纳米水凝胶相比，接触面积大大减少，从而导致脂质构成的纳米域变小，从而避免了相关的细胞毒性。相关机理如图2所示。该工作以“Mechanochemical Cellular Membrane Internalization of Nanohydrogels: A Large-Scale Mesoscopic Simulation”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上（DOI: 10.1021/acsami.0c16688）。

图 2 异质纳米水凝胶的“机械化学”细胞膜内在化机制

该团队前期还提出了一种可定量描述PNIPAM水凝胶温敏特性模型，该模型能准确描述PNIPAM水凝胶塌陷动力学过程中的主要实验特性，包括体积相转变温度、温度依赖性粒径、结构形态变化等性质。该研究工作以“Deswelling Dynamics of Thermoresponsive Microgel Capsules and Their Ultrasensitive Sensing Applications: A Mesoscopic Simulation Study”为题，发表在《Journal of Physical Chemistry C》杂志上（DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b09998）。

基于机器学习，该团队对水凝胶界面工程展开细致研究，提出了水凝胶界面润湿、胶体粘黏两种吸附机制，并根据温度、交联密度、界面作用强度绘制了界面吸附相图。结果如图3所示。该工作以“Interfacial Engineering of Thermoresponsive Microgel Capsules: Polymeric Wetting vs Colloidal Adhesion”为题，发表在《Macromolecules》杂志上（DOI: 10.1021/acs.macromol.8b02323）。

图 3 微凝胶相变行为、机器学习与微凝胶界面工程

以上工作，论文第一作者为宋先雨博士，通讯作者为赵双良教授。研究工作得到了华东理工大学刘洪来教授的精心指导。相关研究工作受到了国家自然科学基金等科研项目的支持。