离子磷脂囊泡的形状调控研究

We use computer simulations to study the shape of ionic lipid vesicles. We first consider the vesicle shapes in salt solution, and establish the dependence of liquid and gel vesicle shapes on the vesicle volume, salt concentration, solution pH and so on. We will try to control the vesicle shape under experimental conditions, and thus our results should be valuable and even a guide for experimental studies, which enhances the understanding of cell shapes. We then study the vesicle shape and fusion under confinement and try to reveal the effect of different confinement on the vesicle shapes. We will also uncover the vesicle fusion under certain confinement condition. This will be helpful for us to understand the shapes of confined cells. We further investigate the vesicle shapes and fusion under external electric fields, with the aim to determine the dependence of vesicle shape and fusion on electric strength, salt concentration and so on, which can explain recent experiments. This will be helpful for the ordered shape design in experiments. Finally, we pay some attention to the vesicle shape, fusion, rupture and SLB formation on a solid surface, and try to interpret some recent experimental observations.

拟采用计算机模拟方法研究离子磷脂囊泡的形状。研究囊泡在盐溶液环境中的形状变化，建立液态和凝胶态下囊泡的形状随囊泡体积、溶液盐浓度及pH值等参数的关系，尽量在实验参数的范围内实现囊泡有序结构的调控，为实验研究提供有价值的参考和导向，加深对细胞形状的认识；研究囊泡在受限条件下的形状及融合过程，揭示不同受限环境对囊泡形状的影响，实现采用一定受限条件诱导囊泡融合，加深理解细胞在受限环境下的形状；研究在电场下囊泡形状的变化及融合过程，确立囊泡形状及融合过程与电场强度、盐浓度等的关系，与近期的一些实验研究作对比，为实验上囊泡有序结构的设计提供理论参考；研究囊泡在固液界面上的形状变化、融合、破裂及SLB的形成，从模拟的角度揭示近期的一些实验现象的微观机理。

认识和控制囊泡的形状变化是生物物理和材料设计方面的一个重要问题，本项目采用计算机模拟方法对囊泡在本体溶液、界面及外场等不同环境下的形状变化进行系统研究。首先，对于囊泡在本体溶液中，我们设计了不同的动力学演化路径考察了液态和结晶态下囊泡的形状变化。通过以不同速度改变囊泡内部的水溶液体积，我们发现液态和结晶态下囊泡的形状会发生截然不同的演化。特别有趣的是，结晶态下囊泡会呈现四面体等多面体形状。通过解析的弹性分析发现，多面体的形成是结晶态下囊泡的本质属性。这些结果表明，不同的动力学路径有助于扩大囊泡的形状空间，对材料设计有一定的启示。其次，研究了渗透压驱动下水分子跨越囊泡膜的输运性质。特别有趣的是，在囊泡内外渗透压一样的情况下，水分子从里到外和从外到里的输运表现出了明显的不对称行为。这种不对称性在较宽的参数空间内都存在，如盐浓度，温度以及囊泡尺寸，并且可以归因于磷脂-离子，磷脂-水，磷脂-溶液，磷脂-磷脂相互作用的不对称性。该研究结果展示了渗透压驱动下水分子穿越囊泡膜的新物理机制，对于将来的实验研究具有重要参考价值。最后，系统研究了液态和结晶态下囊泡在液固界面的形状变化，并观察囊泡在缓慢脱水和快速脱水条件下的形状改变。我们发现这两种状态的囊泡在缓慢脱水和快速脱水下的形状变化截然不同。特别是，囊泡存在内塌缩驱动的形状变化，比如液态囊泡会形成类似于裂口红细胞的形状，而结晶态囊泡形成双层碗状以及圆锥形结构。我们同时发现，液态囊泡在液固界面的展开过程可以用解析理论去解释，并与模拟的结果符合的很好。研究结果表明，可以采用表面吸附与脱水方式相结合来调控囊泡的形状，这对于界面上囊泡的可控形变具有一定的参考价值。