多相聚合物溶液体系受限于软膜内的自组装行为研究（四）

Tubular membrane structures are widespread in eukaryotic cells, but the mechanisms underlying their formation and stability are not well understood. Recently, biomimetic membranes exposed to aqueous two-phase system have been introduced experimentally. They are found to exhibit a number of interesting and surprising phenomena, such as partial to complete wetting transitions, budding, and membrane tube formation. These aqueous phase separation in the closed environment of biomimetic membrane vesicles can serve as a model system for tubular membrane structures in cells. In this project, we will investigate the self-assembly of aqueous multi-phase-polymer system confined in soft membranes using simulated annealing and other methods. On one hand, we will study the self-assembly of aqueous multi-phase-polymer system under soft confinement realized by the formation of polymer droplets in a poor solvent environment. On the other hand, based on Helfrich model, we will develop a new model. Using this model, we will investigate the self-assembly of aqueous multi-phase-polymer system confined in soft membranes. We will find out the parameter region where budding transition occurs, and elucidate the microscopic mechanism of budding. The results of this project would be helpful for understanding related cellular mechanisms, such as endo- and exo-cytosis.

管膜结构普遍存在于真核细胞中，然而，其形成机制和稳定性是尚未完全解决的重要问题。近期的实验研究发现，将仿生膜放到右旋糖苷和聚乙二醇溶液体系中溶胀，可形成包含该两相溶液的软膜体系；通过调节体系的渗透收缩、温度等可诱导该体系出现多种现象，如从部分润湿到完全润湿的转变、发芽和膜管的形成等。因此，这种发生在包含两相溶液的软膜体系中的相分离可作为研究在细胞拥挤环境中出现的管膜结构的模型系统。本项目拟采用模拟退火等方法，围绕多相高分子溶液体系受限于软膜内的自组装行为开展研究。一方面，我们将利用不良溶剂提供软受限环境，开展在软受限环境下多相高分子溶液体系自组装行为的研究。另一方面，在借鉴Helfrich 模型的基础上，我们将发展合适的模型以研究多相高分子溶液体系受限于软膜内自组装行为。探索体系出现发芽转变的条件，揭示发芽转变的微观机制。本项目的成果将有助于理解相关的细胞机制，如内吞和胞外分泌作用等。

项目主要研究结果如下：. 我们采用Monte Carlo方法系统研究了软受限环境下嵌段共聚物自组装行为。软受限环境由表面活性剂和两种溶剂分子（油和水）提供。研究发现当油分子对嵌段共聚物AB的A嵌段具有很强的选择性、并且A和B具有很强的不相容性时，体系均形成补丁粒子结构，并且每个粒子中补丁的数目随着油滴的有效直径De与体相周期L0比值的增大而增多。这种补丁粒子结构在两嵌段共聚物硬受限和未受限时均不能形成。三嵌段共聚物在软受限环境下可自组装更加丰富的结构。. 我们使用模拟退火方法对双亲水AB两嵌段和ABC三嵌段共聚物在水溶液中的相行为进行了系统研究。研究结果表明，随着聚合物浓度的降低体系可呈现丰富的相转变，特别是体系可呈现重入相转变。我们阐明了体系的重入相转变、有序-有序相转变、以及有序-无序相转变的机制。发现两嵌段共聚物中两个嵌段的亲水性的差别，或者是其体积分数的差别，可被用于调节不同嵌段的溶胀程度，其溶胀程度的差别可导致不同嵌段有效体积分数随着聚合物浓度的降低呈现非单调的变化，因此导致了双亲水两嵌段共聚物体系重入相转变的出现。三嵌段共聚物体系中除上述机制外，不同溶胀程度的体系中链的伸展程度不同，也可导致了重入相转变的出现。. 我们采用近期发展的replica-exchange模拟技术对带相反电荷的、具有相同电荷数量和相同或不相同电荷分布的聚电解质的复合行为进行了研究。研究结果发现，带相反电荷的聚电解质链的电荷分布以及电荷分布的匹配与否对体系的聚集行为有较大的影响。当电荷分布匹配时，体系形成较致密的聚集体结构；而当电荷分布不匹配时，体系形成较松散的聚集体结构。上述差异是由于其微观结构中电荷排布的不同造成的。我们还研究了聚电解质单链在不良溶剂中的热力学性质。结果表明，强带电聚电解质单链在降温过程中表现出多种构象形态，特别是出现了具有不同珠子数目的“珍珠项链”构象。经过严格的正则和微正则分析、以及有限链长分析，我们发现具有不同珠子数目的“珍珠项链”之间的转变是一级相变；并且，不良溶剂的性质对链的性质具有很大的影响。.在Macromolecules, Soft Matter等期刊发表论文6篇。在国际及国内学术会议上做邀请报告12次。1名博士生和5名硕士生毕业。