大分子及其粒子在细胞膜界面扩散行为与机理的模拟及理论分析

Diffusion dynamics of macromolecules and their nanoparticles on the cell membrane is of essential importance to cellular functioning and to the development of novel nanocarriers for the targeted drug delivery. In this project, through applying and developing the mesoscale model and method, we aim to simulate the diffusion process of macromolecules and their nanoparticles on the lipid bilayer membrane-a model membrane of the real cell membrane, and build the theoretical model to analyze such a biophysical process, which would lead to a thorough insight into the dynamics and mechanism of the diffusion process of these materials at the interface of the cell membrane. Firstly, a dissipative-particle-dynamics (DPD) model of spherical nanoparticles with homogeneous surface will be developed to simulate their diffusion dynamics on the lipid bilayer, where the interaction parameters will be tailored to consider how various nanoparticle-membrane interaction states influence the diffusion dynamics. The conditions accounting for the possible diffusion patterns, that is, the Brownian and non-Brownian dynamics will be examined and the underlying physics will be in-depth discussed. Then, the nanoparticles with heterogeneous surface will be studied, so that the effects of the interactions, induced by the heterogeneous surface, the membrane fluctuation, and the spatial distribution of the charges on the nanoparticle surface, on the diffusion behaviors and mechanism can be considered. Finally, the in-plane diffusion behavior of the macromolecules with complex topologies, particularly the two-dimensional functional macromolecule, will be simulated, where the effect caused by the anisotropic shape on the diffusion patterns and the potential abnormal diffusion dynamics will be investigated. The physical principles for these dynamic behaviors will also be analyzed through developing a theoretical model. The findings might provide useful guidelines for the optimal design of the biomacromolecules toward wide biomedical applications, and might demonstrate an intuitive framework for the further research of this important topic.

本项目旨在运用和发展介尺度模拟方法和模型，研究大分子及其粒子在细胞双层磷脂薄膜界面上的扩散输运过程，并建立理论模型对该过程进行理论分析，以期阐明此类材料在细胞膜界面上的扩散动力学及机理。首先构建耗散粒子动力学模型研究均相表面的球形纳米粒子在双层磷脂薄膜上的扩散输运过程，并通过调控作用参数改变粒子与膜的作用状态，以明晰作用状态对扩散模式的影响，进而揭示可能的布朗运动与非布朗运动出现的条件及其隐含的物理机制。随后，将研究范围拓展至非均相粒子，以考察非均相表面所引发的各向异性作用、膜的涨落以及电荷空间分布等对扩散动力学及机理的影响。在此基础上，进一步考察具有复杂拓扑结构的二维功能大分子在双层脂膜界面上的扩散输运过程，以揭示形状各向异性效应所导致的扩散模式的变化以及潜在的反常扩散行为，并构建理论模型深入剖析对应的物理原理。为优化生物大分子材料的设计，促进其生物医学应用奠定理论基础，形成原创性成果。

深入探究大分子及其粒子在生物膜界面复杂作用和动力学行为的物理机制是高分子物理化学与软凝聚态物理相交叉的基础前沿课题，对于发展新型、高效的生物医用功能材料来说意义重大。该项目即立足于这一重要基础科学问题，旨在发展模拟计算模型和基于统计力学的分析理论，以深入研究此类体系在细胞膜界面的扩散输运动力学行为和影响因素，进而阐明该复杂动力学过程的物理化学机制。取得的重要结果概括如下：1）发展了适用于非对称各向异性粒子在细胞膜界面扩散输运的模拟模型和分析理论，进而从理论上发现了此类粒子在细胞膜界面的Lévy扩散动力学行为，并且从理论和实验两方面证实了其针对膜上靶点的高效药物递送效果。2）推导了高分子凝聚态物理新理论，并结合计算模拟，揭示了大分子粒子在生物大分子网络中扩散输运的网格拓扑效应、网链柔顺性效应以及动态连接点“开关门”效应。3）发展了活性物质生物界面作用的非平衡态理论研究这一新方向，并首次给出了活性各向异性大分子粒子细胞内化输运的理论模型，同时揭示了这一过程独特的动力学行为。4）提出了生物-纳米界面作用与动力学的熵调控新概念，并基于此实现了新型功能高分子体系的理性化设计，阐释了对应现象背后的熵机制。5）将生物-纳米界面熵调控的概念、模型与理论拓展至更为复杂的生物大分子和大分子胶体体系的界面结构构筑与动力学调控中，发展了多种熵驱有序组装体，并深入探究了此类体系中熵效应介导的输运动力学行为。6）发展了介尺度流体力学模型，适当探索了生物体中微纳流体通道内大分子功能体系的输运动力学及其调控机制，力图阐明生物界面上扩散与流体力学效应两种输运机制的差异。7) 该项目在执行期间申请人以通讯作者在Nat Comm, Sci Adv, PRL(2), JACS(2), ACS Nano(2), Nano Lett(2)等领域内重要期刊发表SCI收录文章21篇，并由科学出版社出版专著《软物质体系的熵调控》。该项目的研究结果显著丰富和完善了生物界面物质输运的物理理论框架，为理解相关生命现象和发展新型生物医用功能材料奠定了理论基础。