雙親性兩嵌段共聚物膜與膠束融合機制的研究

王 玲，張海珍，劉天成，楊 愷

(1.蘇州大學 軟凝聚態物理及交叉研究中心,江蘇 蘇州 215006;2.云南民族大學 云南省生物高分子功能材料工程技術研究中心, 云南 昆明 650500)

嵌段共聚物的自組裝是制備聚合物納米材料的重要途徑.嵌段共聚物各鏈段的結構和排列方式具有多樣性，典型的有兩嵌段、三嵌段和接枝等.其中，兩嵌段共聚物由于其合成方法簡單，尤其受到人們的重視.雙親性兩嵌段共聚物是指共聚物的兩個嵌段分別具有親水性和疏水性.因此，雙親性兩嵌段共聚物可以在水溶液中自發地形成各種有序的納米結構，如膠束、平面雙層膜和囊泡等[1].這些結構在生物、醫學等許多方面都有著重要的研究價值和應用前景.

當共聚物的濃度達到臨界膠束濃度(CMC)后[2]，兩嵌段共聚物會自組裝成膠束.此時，聚合物上的疏水段和親水段會發生微相分離，自發地形成疏水段向內，親水段向外的核-殼結構.人們可以依據聚合物疏水鏈段的不同性質，通過化學、物理以及靜電作用等方法將藥物進行包裹.而且，聚合物膠束具有較低的臨界膠束濃度，稀釋后不易發生分離.因此，膠束被認為是一種重要的納米尺度的藥物輸運載體[3-6].

當共聚物的濃度進一步增大后，雙親性兩嵌段共聚物的聚集結構會再次發生變化而形成雙分子層結構.這種奇特的結構與細胞中某些重要的生命現象聯系緊密.例如，磷脂是一類重要的生物大分子，它所形成的雙分子層正是細胞膜的基本骨架.從結構上來看，磷脂正屬于雙親性兩嵌段共聚物，同時具有疏水性尾部和親水性頭部.因此，對雙親性兩嵌段共聚物的聚集結構進行研究，對于人們認識細胞膜的生物功能也具有重要意義.

嵌段共聚物不同聚集結構之間的融合現象具有重要的研究價值，如膠束之間的融合被視為共聚物聚集結構發生變化的一個重要途徑.此外，膠束與磷脂雙分子層的融合是利用膠束向細胞輸送藥物過程中的一個關鍵步驟，對于人們理解和控制膠束的藥物輸運特性具有十分重要的意義.但由于這些融合現象發生的時間尺度和空間尺度都非常小，在目前的實驗手段下，很難直接通過實驗觀察來揭示融合現象的分子細節.因此，我們采用分子動力學模擬方法，對由PEG鏈形成的膠束與膠束、特別是膠束與雙分子層之間的相互作用機制進行了研究.

1 實驗部分

1.1 粗粒化模型和模擬參數

圖1顯示了模擬中采用的雙親性兩嵌段共聚物的粗粒化模型.這一模型主要基于PEG表面活性劑而構造得到[7-9].Klein等[10]的工作表明，這個模型能形成與實驗結果相吻合的雙分子層膜和膠束結構，以及雙分子層結構中的側向對稱性等特性[11].模擬中有2類PEG鏈，一類是中性的PEG模型鏈，由OA，EO，CM，CT 4種類型的珠子組成.根據珠子的親疏水性質，這些珠子也可分為親水的頭部(OA，EO)和疏水的尾巴(CM，CT).另一類是帶電模型，其中，親水的頭部由OA ，EC，EO組成，尾巴的結構與中性的PEG鏈相同.

膠束和雙分子層均是由PEG鏈自組裝而成.此外，為了得到穩定的膠束結構，膠束中還會含有部分帶電的PEG鏈.水(W)作為溶劑是顯含在系統中的.在模擬過程中，兩種不同類型的LJ勢被用于珠子之間不同的相互作用：

式中，rij為分子對間的距離，ε與σ為勢能參數，因分子的種類而異.

模型上所有分子內的勢能包括鍵的拉伸和角的扭轉都用彈簧作用勢來表示：

式中，ka，kb為彈性常數，r0、θ0分別為平衡位置和平衡角度.

1.2 模擬系統和條件

所有的模擬都采用Lammps軟件包[12]，在NPT系綜中進行，系統的溫度為T=298 K，p=10.325 kPa.模擬采用的盒子大小為10 nm×10 nm×15 nm.體系3個方向的邊界上均采用周期性邊界條件.

在模擬中，膠束可通過PEG鏈的自組裝由、最初的隨機分布狀態而形成.模擬中發現，隨著PEG鏈數目的變化，膠束的形狀會由球形變成柱狀(見圖2).而對于雙分子層膜，由于模擬中采用的嵌段共聚物分子中親水基團與疏水基團的比例接近于1，因此，當PEG鏈的濃度較高時，它能進一步形成平面雙分子層結構(厚度約為5.4 nm，其中疏水層厚度約為2.9 nm).在本文中，我們將這種平面雙分子層結構簡稱為共聚物膜.

所有的模擬均進行至少3次，每次不少于 20 000 000 步(100 ns)的運算.

2 結果與討論

2.1 膠束融合的模擬

當2個膠束接近時，它們可能會發生融合現象.在這一過程中，2個膠束會先靠近以形成膠束的局部接觸.此時，接觸區域的2個膠束的某些組成共聚物鏈段會糾纏變形，形成半融合結構.最后，2個膠束會完全融合成一個膠束(見圖3).膠束的形狀會影響它們之間的融合過程.模擬發現，球形膠束除了可以與球形膠束發生融合外，還可以與柱狀膠束融合直接形成一個新的柱狀膠束，見圖3(b).但是，柱狀膠束卻很難與柱狀膠束進行融合，見圖4.這可能與不同形狀的膠束在接觸點附近的曲率特征不同有關.

2.2 雙親性兩嵌段共聚物雙層膜和膠束融合的模擬

球形膠束與聚合物膜也會發生融合(見圖5).我們發現膠束在與膜接觸后，膠束上PEG鏈段的親水部分會與膜上的親水頭部相互纏繞，吸引在一起，然后形成一個半融合的狀態.最終，隨著PEG鏈的不斷運動，膠束最終會完全融合在共聚物膜中，形成一個穩定的膜結構.

通過模擬，我們發現膠束與共聚物膜之間的距離(D)、組成膠束的聚合物的數目(N)等因素會強烈影響共聚物膜與膠束的融合.隨著這些因素的變化，兩者發生融合的可能性也隨著發生變化(見圖6).

對于由20個磷脂鏈組成的較小的膠束來說，膠束與聚合物膜之間的距離是影響兩者融合的一個關鍵因素.當它們之間的初始距離很小時，膠束不會與膜發生融合；但隨著膠束與膜的距離適當增加時，兩者發生融合反應的可能性卻會隨之增加，見圖6(a).

隨著PEG鏈的數目增加(從20增加到50)，膠束與聚合物膜之間距離的影響卻發生變化.在所研究的間隔范圍內(膠束離膜的距離從0～20 nm)，無論膠束放在聚合物上方的何處，最終兩者都很容易發生融合現象，見圖6(b).

但當PEG鏈的數目進一步增加到100時，距離的影響又會再次改變.此時，只有當膠束距離膜較近時，膠束才會與膜發生融合現象；當膠束遠離膜時，融合現象便不再發生，見圖6(c).

融合過程總是伴隨著能量的變化(見圖7).若膠束與膜分離，則兩者的相互作用能量為0；而當膠束與膜發生融合過程，能量則會發生顯著變化.模擬發現，從膠束與共聚物膜接觸開始，兩者的相互作用能量就會有明顯的變化，半融合結構的形成也對應有一個較小的能量壁壘；只有兩者完全融合后，能量才會保持不變.

這些結果表明，對于膠束與共聚物膜的融合來說，兩者之間的距離與膠束的大小的影響是相互耦合在一起的.融合需要膠束與共聚物膜的接觸.因此，對于較大膠束來說，距離較小時有利于兩者的融合.但膠束與共聚物膜在融合時，兩者的相互作用還與組成膠束的聚合物鏈段的形變有關.對于不同大小的膠束，共聚物的構型也有所不同.因而共聚物鏈形變的程度和影響也不盡相同.對于小的膠束來說，由于組成的共聚物鏈數目較少，結構也更為松散，因此鏈段形變的影響程度也會更大，這可能是會阻礙兩者的進一步融合的關鍵原因.結果還表明，控制膠束的大小可以對其藥物輸運的效率產生重要的影響.

3 結語

我們采用分子動力學方法對雙親性嵌段共聚物雙層膜與膠束的融合機制進行研究.結果發現，膠束與共聚物膜之間的距離、組成膠束的聚合物的數目等因素會強烈影響兩者的融合.當組成膠束的數目較少時，兩者之間的距離強烈地影響膜與膠束的融合：當膠束離膜很近時，兩者不會發生作用.而適當增加膠束與膜的距離時，膠束才會與膜發生融合現象.但隨著膠束中PEG鏈的數目增加，兩者的相互作用情況會隨之發生變化.此時，距離將不再是影響其融合的主要因素.在調查的距離范圍內，膠束都會與膜發生融合.如果進一步增加PEG鏈的數目，發現兩者之間距離的影響又會發生變化.在這種情況下，只有膠束距離膜較近時，膠束才會與膜發生融合現象.我們的結果不僅有助于深入理解真實細胞中的融合現象，還對納米尺度基因、藥物載體的設計和開發具有一定的指導意義.

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