复杂溶液环境中纳米颗粒的跨膜输运研究

We use computer simulations to study the transport of nanoparticles through membranes in a complex solvent, where the solvent contains atomic water, salt solvent, solvent with salt gradients and so on. We mainly consider two types of membranes. One is solid membrane with a nanochannel embedded and the other is biological membrane. Under the first type of membrane, we focus on the effect of nanochannel dimension, nanoparticle's hydrophilic/hydrophobic nature, and external driving force on the transport properties (flux, translocation time and so on), and try to analyze our simulation results by Langevin dynamics. These studies should have deep implications for the filtration or separation of nanoparticles, as well as for the design of high-efficient nanocontainers in experimental research. We will further study the transport dynamics in salt solvent, with the aim to establish the dependence of flux and translocation time on the salt concentration and/or salt gradient, which may help us to understand the complex biological environment in/out cell membranes. For the second type of membrane, we study the transport properties both in water and salt solvent, taking into account the influence of nanoparticle's surface properties as well as salt concentration. We also see about the rupture of membrane induced by the translocation of nanoparticles, and design nanocontainers with high efficiency and low destructibility. These studies will enrich our knowledge about the biological toxicity of nanoparticles and complex bio-nanoparticle interaction in experiments.

采用计算机模拟的方法，研究在复杂溶液环境中（全原子水溶液，盐溶液，有浓度梯度的非均匀溶液等）纳米颗粒的跨膜输运动力学。这里将考察两类膜，一是带有纳米通道的固体膜（与多孔纳滤膜材料实验相关）；二是磷脂生物膜（与生物膜实验相关）。在第一类膜情况下，研究水溶液中的输运问题，建立纳米颗粒输运的流量和时间与纳米通道的尺寸，表面亲疏水性质，外驱动力等的关系，并尝试采用朗之万（Langevin）方程解析数值模拟的结果，为实验上纳米颗粒的过滤与分离，以及高效纳米载体的设计提供理论参考；研究盐溶液中的情况，建立输运的流量、时间与盐浓度的关系，加深对细胞膜内外复杂环境作用的理解。在第二类膜的情况下，研究水溶液和盐溶液中，纳米颗粒表面的亲疏水特性对其跨膜过程的影响，以及对膜造成的破坏，设计高效可行的纳米载体，与实验上不同表面性质纳米颗粒的复杂生物作用作对比，加深对纳米颗粒细胞毒性机理的认识。

本项目采用计算机模拟方法研究了复杂溶液环境中纳米颗粒的跨膜输运性质，同时还研究了水分子和离子的输运行为，取得了系列的理论成果，加深了人们对纳米颗粒，离子和水分子在纳米尺度下复杂输运行为的理解，对实验研究具有重要的参考价值。项目的主要研究内容和结果可以归结如下：1）重点考察了带电纳米粒子和水溶液中离子的相互作用对其跨膜输运的影响。发现阳离子与负电纳米粒子的相互作用比阴离子与正电纳米粒子强，这对纳米颗粒的流量行为产生重要的影响。尤其是，纳米通道增强了阳离子和阴离子纳米颗粒在传输过程中的差异。伴随着盐浓度的增加，离子通量呈非线性增长趋势，与最近的实验结果一致，而纳米粒子的流量减少，这表明离子和纳米颗粒传输之间存在着重要的的竞争。我们的研究结果表明离子在纳米粒子传输过程中扮演着重要角色，并在检测，分离，过滤带电纳米颗粒上有一定的参考意义。2）纳米颗粒的表面性质是它们在生物医学上的设计和使用的关键因素，这里系统考察了接枝聚合物的长度，数目，电荷量和电荷位置对纳米颗粒跨膜输运性质的影响。随着聚合物长度的增加，纳米颗粒的尺寸增大了，因而其跨膜流量减小了，其中因为钠离子的强吸附作用，在聚合物长度最小时，负电颗粒输运失败。令人惊奇的是，随着聚合物数量或电荷量的增加，纳米颗粒通量显示了极大值的行为，这是由于纳米颗粒净电荷和尺寸共同决定的。由于纳米颗粒与膜的吸附和纳米颗粒与离子的吸附，纳米颗粒通量随电荷位置的下降而减小。此外还分析了反离子的输运，这取决于纳米颗粒与离子的吸附和纳米颗粒的动力学行为。最后，研究了电场对给定的纳米颗粒类型的影响。研究结果揭示了接枝聚合物在纳米颗粒转运中的重要作用，并且对高效的纳米颗粒载体的设计具有重要参考作用。3）研究了水分子穿越带电纳米通道的输运，为了比较，我们先考察了不带电的通道，并发现了描述水流量的一个解析式。对于均匀带电的通道，随着电荷密度的增加，水流减少，而反离子的流量却呈现了极大值，这主要是由于反离子数目增加与离子-通道相互作用形成竞争的结果。更出乎意料的是水分子在带正负电通道中的占据数的变化截然相反，这主要是正负反离子的不同排除体积效应造成的。此外，通道的尺寸及电荷分布对输运也有着重要的影响。这些结果不仅加深了我们对水分子在亲水通道中的输运行为的理解，而且对设计纳米水开关具有重要的参考意义。