磷脂分子的电场诱导可控组装及组装体携载性能研究

Phospholipid is the most important component of biological membrane, it mainly exist as the spherical structure similar to cell framework and hollow tubular structure in vivo. Nowadays, it is urgent and important issue for many research groups to establish a simple, fast, controllable assembling method of phospholipids in vitro, further develop the application in drug delivery and biological reaction using these assemblies. The interdigitated microelectrodes were used in this project to study the controllable assembling of giant unilaminar vesicles and lipid tubes in electric field. The distribution of electric field above these interdigitated microelectrodes in different conditions were simulated, calculated and anglicized in detail. Base on the experimental and theory results, the critical factor for the morphology control of phospholipid assembly was clarified and the regulatory mechanism was proposed. Moreover, combination with magnetic nanoparticles, the magnetic and drug “lipid tadpoles” with spherical head and long tail were assembled using the special electric field of interdigitated microelectrodes. The motion and drug release of these “lipid tadpoles” were investigated in vertical static and alternating magnetic fields. The studies of phospholipids controllable assembling under the physiological salinity and polymerase chain reaction in giant unilaminar vesicle were also developed. The prospective results of this project aim to provide a novel method and novel technology for the study of fabrication of an safe efficient targeted drug carrier, solving the puzzle of biological reaction in vitro and expanding applications of phospholipids in biomedical.

磷脂是生物膜最重要的组成成分，在生物体中主要呈类似于细胞基质框架的球形结构和中空的管状结构两种状态。在体外进行磷脂组装体的简单、快速、可控组装并进一步在载药、物质转移、生物反应等方面进行深入研究，是当前许多研究领域重点关注的课题。本项目以共平面叉指微电极进行电场下的磷脂组装体可控组装研究，并对不同条件下的电场分布进行模拟与计算分析，明确控制组装体形态变化的关键因素，揭示电场的调控机理。结合磁性纳米粒子，利用电场调控诱导形成具有球形头部及链状尾部的磁性载药“磷脂蝌蚪”，并研究其在静磁场和交变磁场双向磁场作用下的运动及药物释放。进行在生理盐度下磷脂囊泡的电场诱导组装研究，并以组装的巨型磷脂囊泡为细胞模型进行磷脂囊泡内的聚合酶链反应（PCR）。本研究预期结果为构建安全高效的靶向给药载体、解决体外生物反应的难题、扩大磷脂在生物医学的应用等研究提供新方法和新技术。

在体外进行磷脂组装体的简单、快速、可控组装并进一步在载药、物质转移、生物反应等方面进行深入研究，是当前许多研究领域重点关注的课题。结合光刻技术与电化学技术实现了叉指微电极的简单快速制备，且具有腐蚀效果好，侧蚀程度小等优点。利用共平面叉指微电极实现了电场下磷脂囊泡和磷脂管的可控组装，除提供了磷脂囊泡制备的新型电极体系外，还建立了磷脂管组装的新方法。结合实验数据与模拟分析，明确叉指微电极上调控不同磷脂组装体形成的关键因素，即侧向电场分量Ex是磷脂管组装的主要驱动力，纵向电场分量Ez是形成磷脂囊泡的主要作用力。该研究成果为磷脂组装体的有效调控组装提供重要依据，为叉指微电极在生物学上的应用提供新思路。提出新的磁性纳米粒子修饰及磁性磷脂微胶囊构建方法，将磁性纳米粒子表面包裹磷脂膜以增强其单分散性、胶体稳定性和生物相容性。将磷脂包裹的磁性纳米粒子包封于磷脂囊泡内部构建磁性载药磷脂微胶囊。在交变磁场下触发下，磁性载药磷脂微胶囊内的荧光素释放量均随电场频率、触发时间和铁浓度的增加而增加。磷脂膜包裹与未包裹的磁性纳米粒子对微胶囊内的荧光素释放量影响无明显差异。研究结果表明，磁性纳米粒子表面包裹的磷脂膜不会削弱磁性纳米粒子的磁热效应。本研究结果为构建安全高效的靶向给药载体，实现临床上的远程触发的癌症治疗以及扩大磷脂在生物医学等领域的应用研究提供新方法和新技术。以高定向裂解石墨烯为基底制备不同电性的支撑磷脂单层膜，开展外加电场和不同离子条件对磷脂膜结构组装及动力学的影响研究。结果表明，电场和离子均可影响或诱导磷脂膜内的中尺度有序分子组装结构的产生却仍然保持磷脂的流动性，离子特别是钙离子的影响更明显。这种影响与磷脂类型有直接关系，负电磷脂的影响更显著。该研究结果对基于磷脂组成的实验芯片的发展以及解析跨膜电位对生物膜中磷脂分子排序的影响具有重要意义。