Janus石墨烯量子点在生物膜中的输运行为:分子动力学模拟

作为纳米载体,石墨烯量子点已广泛应用于生物医药领域,然而对于异质结构的石墨烯量子点细胞膜内化路径研究不足。从空间异质性结构设计出发,构建了一系列不同氧化程度与空间异质分布的Janus石墨烯量子点。基于分子动力学模拟研究了不同结构的Janus石墨烯量子点跨膜输运行为,通过分析跨膜输运过程中的构型变化、分子间作用能量、溶剂可及面积等参数,发现Janus石墨烯量子点跨膜输运行为由亲水-亲油平衡、空间异质分布控制,且呈现外力牵引依赖性变化。本文在分子水平上系统研究了Janus石墨烯量子点与细胞膜相互作用规律,对其结构设计及生物医药应用提供理论指导。

太赫兹单极性皮秒脉冲串作用下细胞膜亲水孔输运生命离子流的研究

近年来研究发现太赫兹单极性皮秒脉冲串作用能够在细胞膜上生成亲水孔,然而,细胞膜亲水孔对生命离子跨膜输运的作用尚不清楚。本文在前期提出的细胞层面生理离子与太赫兹电磁辐照相互作用理论的基础上,利用Neu与Krass-owska电穿孔模型和广义修正的Poisson-Nernst-Planck模型,在整个细胞层面对太赫兹单极性皮秒脉冲串持续作用下细胞膜亲水孔跨膜输运的总离子流和跨膜输运钠、钾、氯三种细胞生理电信号变化相关的生命离子形成的离子流进行数值仿真研究,在离子流的数值研究中考虑了每种生命离子在溶液中的有效尺寸大小。数值结果揭示出,在太赫兹单极性皮秒脉冲串持续作用期间,细胞膜上生成的亲水孔输运的离子流主要由钠、钾和氯三种生命离子的离子流组成,同时,在亲水孔输运的每一种离子流中,细胞膜两侧电场引起的离子流分量远大于浓度差引起的离子流分量,但是对细胞内离子浓度变化的影响,膜两侧浓度差引起的离子流分量作用则大于电场引起的离子流分量作用。数值结果还显示,太赫兹单极性皮秒脉冲串持续作用10ns期间,细胞膜亲水孔输运的离子流没有引起细胞内这三种生命离子的浓度大幅度改变,说明细胞膜亲水孔没有引起钠、钾和氯三种生命离子生理浓度的失衡。整个作用期间细胞保持有良好的电生理状态和生理浓度的稳定性,亲水孔也没有产生细胞生理电信号变化。研究结果为太赫兹作用下细胞膜生物效应的应用奠定了基础。

静电场对碗豆幼苗膜透性影响与跨膜电导率

根据静电场作用下碗豆幼苗膜透性的试验结果 ,应用分子力学方法研究了离子跨膜输运能量 .将植物细胞膜内部模拟为两个介电常数不同的空间电荷区 ,建立离子跨膜模型 ,导出了界面势垒的静电荷密度与界面电导率 .并从电子水平研究植物细胞畸变机理 .

相互作用对纳米颗粒跨生物膜输运的影响

纳米颗粒与生物膜之间的相互作用,对于纳米颗粒在细胞成像、生物传感器设计、药物输送及疾病诊断和治疗等方面的应用有着重要的影响。本文采用自洽场理论,考察了不同相互作用条件下,纳米颗粒跨膜输运过程中生物膜的形变情况,以及系统自由能的变化情况。结果表明,在纳米颗粒跨膜输运的过程中,随着纳米颗粒与生物膜之间相互作用的改变,生物膜的形状呈现出不同的形变;进一步,通过对系统自由能变化的分析,发现纳米颗粒与生物膜之间的相互作用能显著影响颗粒跨膜输运的难易程度。这些结果将为纳米颗粒在生物领域的相关应用提供一些理论参考。

红外及太赫兹辐照下细胞膜生物效应的研究进展

太赫兹电磁波辐照,包括其短波段红外波辐照,因具有无创和非电离特性在生物科学中展现出广泛和重要的应用前景.细胞膜是生物细胞保持完整性和内稳态的重要生物屏障,也是太赫兹辐照时电磁场首先作用到的细胞结构,细胞膜对电磁场的响应是大部分太赫兹生物效应产生的机理.本文首先论述了太赫兹辐照应用的安全性及其在生命医药、神经调节以及人工智能领域中应用的新前景,然后从太赫兹电磁辐照下磷脂膜的介电响应特性、细胞膜离子通道蛋白的离子跨膜输运、磷脂膜上大分子及离子的跨膜输运、以及太赫兹辐照下细胞膜生物效应的潜在应用和作用四方面,对太赫兹电磁辐照下细胞膜生物效应领域的研究发展进行系统论述,同时介绍了太赫兹电磁辐照时能够开启细胞膜上压控钙离子通道、压控钾离子通道和主动运输的钙离子通道、以及在磷脂膜上产生亲水孔等科学发现.最后,总结并展望了太赫兹辐照下细胞膜生物效应研究的努力方向.

两嵌段共聚高分子链通过薄膜上纳米孔隙输运的研究

针对两嵌段高分子链的跨膜输运过程,分别给出与不同输运次序相对应的高分子链的自由能,进而通过求解Fokker-Planck方程并在不同条件下对平均首次通过时间进行了数值计算.计算结果表明,当共聚高分子链由良溶剂区向不良溶剂区输运时,不能发生线团-链滴转变的链首先输运总是有利于整个高分子链的输运.而在给定输运次序的情况下,化学势、线团-链滴转变、共聚链的组成以及输运速率等因素对输运时间可产生显著影响.相关研究结果可为调控实际生物高分子链的输运时间提供可能的理论线索.

零质量射流作用下红细胞在微管道中变形的数值模拟

因为在生物安全性和导入效率等方面的优势,基于力学方法实现基因导入日益得到学术界的重视.本文提出了一种基于零质量射流,对微管道中运动的细胞施加流体作用力,引起其发生变形,进而促使细胞膜上力敏通道开启的方法,并通过数值模拟进行了理论验证.本文采用浸没有限元法,对红细胞在微管道内运动过程中受到零质量射流作用的变形情况进行数值模拟,探讨了如何高效地实现小分子物质导入细胞.数值模拟的重要参数有微管道内压力梯度Δp,零质量射流的振幅Am和频率f.经过对流场特征和红细胞受力情况的分析,发现当细胞某处表面张力T0大于临界表面张力τc时,细胞表面力敏通道打开,并得到每一时刻细胞力敏通道打开的百分比Popen.本文定义了通道开启积分I,以衡量在不同的流动参数情况下,细胞膜力敏通道的开启程度,进而探讨了压力梯度和射流振动频率、振幅对I值的影响,以寻找优化的工艺参数.该方法具有微制造工艺简单易行,在保证高通量导入的同时,便于对所施加的流体作用力进行精确控制的特点,这使得蛋白质、基因等物质实现跨膜输运,进入细胞并发生重编程成为可能.

流场驱动高分子链迁移穿过微通道的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学模拟方法研究了高分子链在流场驱动作用下迁移穿过微通道过程中的链构象变化和动力学行为.在足够大的流场力驱动作用下,高分子链在沿着流场方向逐渐被拉伸,从而能够穿过管径小于其自身尺寸的微通道.耗散粒子动力学模拟结果表明高分子链的迁移过程主要分为3个步骤:(1)在流场驱动作用下,高分子链漂移并逐渐靠近微通道入口;(2)高分子链逐渐调整自身构象,并使其部分进入微通道;(3)高分子链成功穿过微通道.同时,模拟还发现当高分子链尺寸大于微通道细管道管径时,高分子链穿过微通道所需的平均迁移时间随着流量的增加而逐渐减小.此外,为了研究高分子链刚性对高分子链穿过微通道的影响,模型中还引入了蠕虫状高分子链模型.模拟结果发现,高分子链的链刚性越强,其迁移穿过微通道的时间越长.