带电嵌段共聚物纳米粒子与类DNA聚电解质复合物组装的理论和模拟研究

It is a hot topic in biological medicine field that how to stabilize and protect the complex of gene vector for gene delivery in complicated environments. This project is aiming to develop molecular thermodynamic models for design and synthesis of novel polymeric vectors useful for effectual gene delivery. We plan to use various molecular modeling techniques, in particular the density functional theory and Monte Carlo simulations, to study the structure and dynamic processes pertinent to polymer nanoparticle formation, DNA packaging and release, and surface protection of gene vectors. This project involves many disciplines. By this project, we will able to develop generic guidelines for design of polymeric gene vectors and significantly facilitate the investigation of it.

用于基因输运的基因载体复合物在复杂环境中的稳定和保护的问题是生物医药领域一个非常重要的问题。本项目将粗粒化的基因载体复合体系作为研究对象，利用理论和模拟研究的方法，发展一套分子热力学模型，用于指导新型高效的聚合物基因载体的设计及其合成。我们计划采用多种分子模型方法，尤其是密度泛函方法和Monte Carlo模拟的方法，去研究带电聚合物纳米粒子的结构和形成过程的动力学，DNA包裹和释放，以及基因载体的表面保护等问题。本项目涉及多学科领域，属于学科交叉性的研究。通过本项目的研究，将可以从理论上指导高效的聚合物基因载体的设计合成，从而提高基因载体研究的效率。

基因载体的稳定性是基因输运过程中一个非常重要的问题。我们采用耗散粒子动力学方法(DPD)，模拟研究了高分子单链均聚物体系在溶液中自组装形成稳定的球形结构的过程，确定了该球形结构在溶液中稳定存在所需要的温度以及溶剂性质条件。我们采用非局域密度泛函理论计算方法(NLDFT)，研究了溶液中聚电解质链在与之带相反和相同电荷的两种表面上的吸附现象，发现只有当作为反离子存在的阳性聚电解质链段价态是二价时，由其居中媒介引发的静电相关效应，才能导致与表面带相同电荷的聚电解质链在带电表面上产生正吸附。我们采用分子动力学模拟的方法研究了带负电的聚电解质链在带正电的球壳表面的吸附过程，发现这是一个三步过程，且吸附存在一个时间阈值，随着吸附继续进行，接触值逐渐达到饱和，并且和吸附时间近似成指数关系。体系中当表面带电图样为随机均匀分布时，聚电解质链最终形成的稳定吸附结构近似螺旋缠绕分布，而当球壳表面存在带电图样，为使聚电解质链段尽可能多的重叠到带电区域上，会破坏这一结构。因此我们可以设计不同链刚性和球壳表面带电图样的聚电解质链体系，从而达到调节体系中发生吸附的时间阈值，吸附过程，以及最终得到的吸附图样的目的。