流场环境下生物膜泡的形态及其动力学行为的研究

生物膜泡是一种自然界普遍存在的、极其重要的结构，细胞本身就是一个由双层膜状结构组成的膜泡。细胞常在流场环境下实现某些功能，如红血细胞在血液环境中输送氧气和二氧化碳等，因此研究膜泡在流场环境下的形变及其动力学过程具有重要意义。拟采用多粒子碰撞动力学模拟方法（MPCD）结合分子动力学方法(MD)与有限元素法等研究具有较大表面张力的膜泡在不同流速和不同毛细血管形状下的形变及其动力学过程。通过采用N-S方程结合合适的边界条件理论上研究膜泡在不同流速下的运动模式及其相互转变规律。采用耗散粒子动力学方法结合MPCD方法研究膜泡在流场环境下的形成及消失的机理。采用MD结合MPCD方法研究存在生物大分子锚泊的生物膜泡在不同流场下膜泡对生物大分子集聚或分散的影响，以及生物大分子的嫁接对膜泡力学性质及其动力学性质的影响。通过对这些问题的研究，希望能够对生物膜泡在流场下的形变及其动力学过程有较深入的了解。

生物膜不仅是细胞结构的组织形式，也是生命活动的主要结构基础。许多生命过程如能量交换、物质运输、信息识别与传递、细胞发育与分化、神经传导等都与细胞膜密切相关。细胞膜是由脂质分子自组装形成的双层膜，既具有弹性又具有流性。细胞膜在热力学平衡时会呈现特定的形状，与周围环境的作用非常复杂，因此研究高分子链或者纳米颗粒吸附在细胞膜时的集聚行为十分重要。细胞通常在流场环境下实现某些功能，如血红细胞在血液环境中输送氧气和二氧化碳等，因此研究膜泡在平衡态时的各种形变以及在流场环境下的动力学过程具有重要意义。采用耗散粒子动力学结合非平衡分子动力学方法研究了流场环境下囊泡嫁接高分子链时的动力学行为以及流场对囊泡形状的影响，发现了在较大流速环境下囊泡嫁接较长高分子链时产生一种新的运动方式即囊泡的平动；采用计算机模拟方法研究了复杂囊泡（一个大囊泡嫁接多个小囊泡）在剪切流场下的运动方式，发现除了流场，复杂囊泡的拓扑结构也深刻影响其运动方式；采用非平衡分子动力学方法首次研究了体系中存在多个有相互作用的囊泡在流场环境下的动力学行为，发现流场和囊泡间相互作用共同决定着囊泡的运动方式，并发现一种新运动方式即囊泡间相互转动后分离，它提示了在流场环境下研究多个囊泡动力学行为的复杂性。同时还研究了高分子链和纳米棒吸附在囊泡表面的集聚行为，由于囊泡表面具有流动性这一特殊属性，因此吸附在囊泡表面的高分子链和纳米棒有着特殊的自组装行为，另外通过改变吸附在囊泡表面高分子链的链长，可以在微观尺度上对囊泡表面进行力学修复。采用多粒子碰撞动力学方法(MPCD)研究了流场环境对高分子链动力学行为的影响。这些研究极大地丰富了人们对囊泡在流场环境下的动力学行为以及吸附在囊泡表面的高分子链和纳米棒/纳米粒子特殊集聚行为的认识。在资助期间，发表SCI论文18篇，其中发表在Soft Matter 6篇，J Chem Phys 4篇，J Polym Sci Part B 3篇，J Phys Chem B 1篇，Polymer 2篇。培养博士研究生4名；在读博士研究生3名，硕士研究生2名。