石墨烯锥与细胞膜相互作用的耗散分子动力学研究

作     者：吕康 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李寅峰

授予年度：2018年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：石墨烯锥 细胞膜 耗散分子动力学 

摘      要：随着石墨烯在生物医学技术上的发展,石墨烯的安全问题备受关注,其与细胞膜的相互作用已成为研究热点。虽然石墨烯片与细胞膜的基本行为已经得到广泛的研究,但石墨烯锥在细胞环境中的行为知之甚少。与超薄的二维合成材料相比,石墨烯锥凭其特殊的拓扑结构,在生物医学方面具有巨大的潜在价值。本文采用粗粒化分子动力学(CGMD)方法,研究了石墨烯锥与细胞膜之间的相互作用。根据实验观察,我们构造了具有五个不同锥角的石墨烯锥的粗粒化模型。分子动力学的模拟结果表明,石墨烯锥可以从锥角或锥底边缘自发的进入到细胞膜中,这两种穿膜方式与石墨烯锥的锥角大小和尺寸有关。针对这两种不同的穿膜方式,我们建立了穿膜能垒的理论模型,分析了石墨烯锥穿膜行为的规律,研究了穿膜能垒与锥角大小和尺寸之间的关系。在锥角穿膜的模式下,石墨烯锥倾向于垂直进入到细胞膜中;在锥底穿膜的模式下,石墨烯锥以倾斜的方向进入到细胞膜中,以减少进入障碍。此外,随着石墨烯锥进入细胞膜,石墨烯锥和细胞膜的相互作用可以通过原子力显微镜(AFM)测量得到。因此,我们采用耗散粒子动力学(DPD)模拟来分析石墨烯锥深入细胞膜的过程中相互作用力和自由能的变化。研究结果表明,覆盖在探针上的石墨烯锥可以引起细胞膜的严重变形,从而促使磷脂分子吸附并扩散到石墨烯的表面。在石墨烯锥深入到细胞膜的过程中,我们研究并计算了尖端形状、大小和表面改性对其的影响。细胞膜的变形可以减少锥尖形状对细胞膜的影响。表面功能化的分析表明,石墨烯锥的水平条纹可以改变深入过程中的石墨烯锥的稳定位置,但石墨烯上的竖向条纹可能会破坏细胞膜。本文中的研究为石墨烯材料可控制细胞穿透性的分子设计提供了有用的指导。