壳聚糖与模型生物膜的相互作用

Chitosan has been under investigation for various biomedical and pharmaceutical applications, due to its excellent biocompatibility and biodegradability. It is crucial to understand the interactions between chitosan and the body cells (especially the biological membranes) and the methods to control these interactions, which are still remain to be elucidated. Here, we will study the interactions between chitosan and its derivatives with several model biomembranes such as supported lipid bilayers, giant unilamellar vesicles, and liposomes etc. More specifically, we will study the effect of electrostatic interaction, hydrophobic interaction, and hydrogen bonding interaction on the composition, structure and morphology of the hybrid systems of chitosan and biomembranes. By modifying the chemical structure of chitosan molecules in a controlled manner, varying the compositions of the model biomembranes, and adjusting the pH and ionic strength of the solvents, we will clarify the mechanisms of the chitosan-biomembrane interactions and find the ways to control these interactions. The composition and structure of the complex formed by chitosan and liposomes will be quantitatively studied by asymmetrical flow field flow fractionation coupled with multiple detections. The project will not only shed light on the molecular mechanisms of the interactions between chitosan and biomembranes, but also will help to develop liposome-based and chitosan-based materials for biomedical and pharmaceutical applications.

壳聚糖具有优异的生物相容性和生物降解性，特别适合用作生物医用材料。在实际应用过程中，壳聚糖与机体细胞尤其是与生物膜之间的相互作用机理及其有效调控至关重要，但目前尚缺乏系统研究。本项目拟研究壳聚糖及其衍生物与多种模型生物膜（包括支撑脂质双分子层、巨型单层囊泡、脂质体等）之间的相互作用，探讨静电、疏水、氢键等多种相互作用对壳聚糖—模型生物膜组成、结构和形态变化的影响。通过对壳聚糖进行可控化学修饰，改变模型生物膜脂质的种类和组成，控制溶剂pH值和离子强度等，研究壳聚糖—模型生物膜相互作用的机理和调控规律，同时利用非对称流场流分离与多检测器联用定量分析壳聚糖及其衍生物与脂质体形成复合物的组成与结构。希望揭示壳聚糖与若干模型生物膜相互作用的规律，为脂质体和壳聚糖基生物医用材料的设计与应用提供理论基础。

壳聚糖基生物医用材料与机体细胞尤其是与生物膜之间的相互作用是决定其性能的关键因素。本项目从壳聚糖链结构的准确表征出发，合成了不同分子量的壳聚糖季铵盐，并研究了其与多种不同模型生物膜之间的微观相互作用对彼此构象和形态结构的影响。首先，利用体积排除色谱（SEC）和非对称流场流分离（AF4）与多角激光光散射（MALLS）联用方法表征了一系列不同分子量壳聚糖样品的分子量及其分布和链构象。详细研究了各种实验条件，如流动相组成、聚合物浓度、流动相流速和色谱柱特性对壳聚糖SEC分离效果的影响规律。发现壳聚糖的SEC实验必须避免样品在色谱柱上的吸附、超载以及高流速下高分子量壳聚糖样品的滞后流出行为，后者是由壳聚糖链在流经色谱柱时发生的线团—伸展构象转变所引起的色谱模式从SEC到障碍色谱的转变造成的。AF4可在很宽的离子强度浓度范围内研究壳聚糖链在醋酸缓冲溶液中的构象和持续长度，结果表明壳聚糖链的持续长度Lp与德拜长度之间成线性关系。其次，对壳聚糖进行化学改性，成功制备了季铵化程度为70~82%的N,N,N-三甲基壳聚糖（TMC）样品，其分子链柔顺性比壳聚糖显著增加。由电中性的二油酰磷脂酰胆碱（DOPC）与带负电的二油酰磷脂酰甘油（DOPG），通过挤出法制备了带不同负电含量的DOPG/DOPC脂质体，并利用动态激光光散射、Zeta电位仪、AF4-MALLS等研究了壳聚糖季铵盐与脂质体之间的相互作用。发现TMC与脂质体之间的相互作用随着脂质体带负电量、TMC分子量的增加而增大，伴随着脂质体尺寸的逐渐增大，甚至出现聚集体，可由场流分离进行分离和表征。最后，利用耗散型石英晶体微天平研究了TMC在支撑磷脂双分子层表面的吸附行为。发现不同分子量的TMC样品在DOPC支撑磷脂双分子层上没有发生吸附，两者没有相互作用；但TMC在不同负电含量的DOPG/DOPC支撑磷脂双分子层上通过静电相互作用发生了明显的吸附。TMC与支撑磷脂双分子层之间的相互作用，随TMC分子量和支撑磷脂双分子层负电含量的增加而增大；但当支撑磷脂双分子层负电含量大于5~10%时，TMC与支撑磷脂双分子层之间的相互作用逐渐饱和而不再受支撑磷脂双分子层负电含量的影响。本项目所得结果对阐明壳聚糖与生物膜之间的相互作用机理具有重要的科学意义，也将为具有优异性能的壳聚糖基生物医用材料的设计与应用提供理论基础。