电场诱导磷脂膜形变

The deformation of cell membrane closely related to the realization process of cellular functions, is also critical life processes within the cell or intracellular. It has long been concerned about the mechanism of deformation on the membrane, but there are still some problems need to be further explored. Based on the experimental model lipid membrane systems, such as supported lipid bilayers and giant unilamellar vesicles by electroformation, we are going to use the dynamic mechanism of deformation on membrane by the electric field: 1) the deformation of the neutral single-component and multi-component phospholipids membranes in the electric field; 2) the deformation of charged single-component and multicomponent membranes in the electric field;3) the deformation of phospholipids membranes by the uniform electric field and the dielectric constant of the solution. Based on the electric properties of the phospholipids, the interaction of phospholipids and the electrolyte, and electric field and the role of phospholipids, we qualitative analyse the dynamic deformation of the membrane by the linear elastic equations, electrostatics and electrodynamics equation, qualitative analysis of membrane electrostatic/deformation of electric dynamics. We will explore the deformation of membrane, such as pore formation and resealing, lipid membrance fluidity, rupture and fusion etc. This study is the foundation for our further researches by the electric fields induced function of biological membranes, such as signal trafficking, recognition in biology membrane and the lipid-enveloped nanoparticle in drug delivery.

细胞膜的形状将是影响细胞和细胞内生命过程的关键, 有关细胞膜形状改变的机理仍有待深入的研究. 基于仿生物膜体系, 利用支撑磷脂双层膜和电形成的巨囊泡, 从实验角度研究电场作用下生物膜形变的动力学机理: 1)电中性的单组份磷脂膜和多组分磷脂膜在电场中的拓扑形变; 2)带电的单组份磷脂膜和多组分磷脂膜在电场中的拓扑形变; 3)电场空间的不均匀与和介质常数对磷脂膜结构的影响. 基于磷脂的带电特性、磷脂和电解质的相互作用以及电场与磷脂的作用, 结合线性弹性方程、静电学和电动力学(泊松能斯特-普朗克)方程, 定性的分析磷脂膜的静电/电动力的变形. 尝试理解电场作用下, 磷脂头部的电性、外电场参数以及电介质等因素引起的磷脂膜流动性, 磷脂膜穿孔、撕裂或融合等拓扑形变. 通过该课题的实现和完成, 将为后续研究电场对生物膜功能的控制, 如电场控制磷脂膜上的信号、能量或药物的输运机理提供研究的铺垫.

本项目利用支撑磷脂双层膜和电形成的巨囊泡（GUVs），开展了基于电场、聚电解质、金纳米颗粒素对磷脂双层膜结构的影响。深入考察了自发曲率、静电相互作用与膜间张力等因素在磷脂膜再组织过程中的作用。首先，我们自制流动仓，利用倒置显微镜实时监测电制备巨囊泡的形成过程，分析了电场作用下GUVs形成的动力学机理。研究表明，电场加速了电极上磷脂膜的层层分离，电场对溶液的渗透压起到补偿作用；交流电场比直流电场能更有效的调节GUVs的粒径、形状和稳定性；电压值增大可使磷脂膜形变时间缩短，GUVs的粒径增大、形状和稳定性变差。其次，利用荧光显微技术表征了多聚赖氨酸（PLL）诱导含负电性磷脂的混合GUVs的动力学响应行为。PLL作为桥梁，使相邻负电性GUVs粘连；PLL导致GUVs出现向内部增长生出“绳”状结构、胞吐或和破裂等形变现象。分析认为，PLL与负电性GUVs相互作用是自发曲率、静电排斥力与膜间张力的竞争过程。第三，我们使用带耗散的石英晶体微天平技术，提出了一种有效测得固液界面纳米尺度流体粘弹性的实验方法。发现聚合物溶液的零剪切速率、聚合物溶液的有效粘度和在其内的最长松弛时间随着溶液的厚度的增加而减小。另外，我们采用荧光显微镜表征研究了重力对金纳米颗粒在磷脂膜表面吸附的影响。吸附量的差异与颗粒的沉淀速率和扩散速率之比的对数呈线性关系。我们还进行了基于金纳米颗粒的合成与表面修饰、功能化电极和电化学传感器的构建。最后，我们进行了医学诊断和治疗的探索，研发了肿瘤探针。合成了一种肿瘤敏感的Ce6共轭金纳米棒（Ce6-Peg-Aurn）荧光探针，作为一种有前途的双模光治疗剂和肿瘤敏感荧光探针来诊断和治疗癌症。合成出具有良好光热稳定性和高热转换效率的聚乙二醇改性硫化铜纳米颗粒，提高光热抗癌疗法的疗效。上述我们的研究结果对基于仿生膜、聚合物-巨囊泡体系和纳米颗粒-磷脂膜体系，理解细胞形变、纳米颗粒-生物膜相互作用、药物输运控释和医学治疗等方面的研究提供有价值的支持。