碳纳米颗粒和磷脂双分子层的稳定性外文翻译资料

碳纳米颗粒和磷脂双分子层的稳定性

摘要：使用全原子（AA）和粗粒化（CG）分子动力学（MD）模拟各种纳米级富勒烯转运到磷脂双分子层进行了研究。计算C60，C180，和C540富勒烯从水中转运到一个二油酰磷脂酰胆碱(DOPC) 磷脂双分子层的内部的自由能的变化。进入脂质双层后，最大的（2.4纳米直径）富勒烯会导致局部扭曲双层表面，这是在碳纳米管模拟中预先观察到的。然而，这些局部扭曲，不会导致任何自由能进入双层的障碍。自由能谱证实了所有三个富勒烯都是自发吸收。定性比较时，观察富勒烯在水/双分子层系统水-己烷系统的分布。相反，这些非特异性的富勒烯富勒烯性质单一，丰富的脂质双分子层广泛CG-MD模拟揭示富勒烯的大小对双层稳定性影响较大。虽然预先的CG-MD模拟表明双层束缚C60骨料对双层结构影响不大，目前的MD模拟表明，C540聚集有巨大的影响。具体而言，所观察到的不稳定可能有助于了解生物细胞摄取的纳米碳颗粒的细胞毒性机制。

关键词： AA-MD; CG-MD; 磷脂双分子层； 自由能； 细胞毒性

Arben Juasufi , Russell H.DeVane , Wataru shinoda And Michael L.Klein

发布2010年9月10日，接收2010年11月10日

概念数字对象唯一标识符：10.1039/cOsm00963f

通过应用全原子和粗粒化分子动力学模拟方法，已经研究了各种纳米富勒烯转移到磷脂双分子层中。当C₆₀,C₁₈₀和C₅₄₀富勒烯从水中转移到磷脂双分子层（二油酰基磷脂酰胆碱）的内部，自由能发生改变已经被预测到了。在进入磷脂双分子层，最大（直径2.4nm）的富勒烯在双分子层表面引起局部变形，这个在碳纳米管模拟中已经预先观察到了。然而，这些局部变形不会导致任何自由能进入双层的障碍。这个自由能剖面图证实了三个富勒烯能自发的吸收。当富勒烯分区在水分子/双分子层系统时，跟水-己烷系统进行比较，遵守定性协议。对比这些非特异性单一富勒烯的属性，对有丰富的磷脂双分子层的富勒烯进行大量的粗粒化分子动力学模拟，揭露了富勒烯的大小对双分子层的稳定性产生了实质性的影响。然而以前的粗粒化分子动力学模拟表明了双分子层结合C₆₀聚合物对双分子层的结构几乎没有影响，现在的粗粒化分子动力学模拟表明了C₅₄₀聚合物有巨大的影响。特别地，观察到的不稳定可能暗示着能够理解碳纳米颗粒被生物细胞吸收后的细胞毒性机制。

1.介绍

近年来，对于碳纳米材料感兴趣的人越来越多，特别是由于在纳米医学中碳纳米材料的多功能利用。碳纳米颗粒的应用软件范围从应用于药物制剂和生物细胞成像的载体。对于后面的应用软件，近来的研究已经证明了葡萄糖衍生的碳纳米微球携带荧光标记被应用于可视化的细胞能够没有任何细胞毒性的迹象渗透进哺乳动物的细胞核。当进入癌细胞，碳纳米颗粒的其他荧光发现了相似的行为。然而，在其他的研究，碳纳米微球与人类的细胞的关系已经提高了。C₆₀富勒烯被人类的巨噬细胞吸收，结果在细胞质，溶酶体和细胞核内聚集通过电子显微镜进行可视化。碳纳米微球最引人注目的特性是它们的粒度分布。在上面的例子中，碳纳米微球直径从1nm到1um。尽管在这一个长度尺度的范围内，值得注意的是，这些对象还是可以移动到细胞膜外，在某些情况下，进入细胞核中。考虑到这个事实，膜的厚度大约在几个纳米，它的平均厚度在相邻的脂质分子的距离之间，在亚纳米这个长度尺度，转运机制在分子水平上还没有完全理解，特别是对于更大的碳纳米微球。

近年来许多模拟研究集中在转运过程而不是在带有和不带有亲水性表面活性剂的小碳纳米颗粒。特别是，小富勒烯（C₆₀和C₇₀）或者燃烧生成的碳纳米颗粒的转运已经成为研究主题，使用分子模拟的方法来研究。一个最近的广泛模拟研究使用一个粗粒化模拟模型，对C₆₀在双分子层内部之间的相关性进行研究。发现富勒烯不能聚集在双分子层内部。另一方面，许多实验对聚合物进行研究。双分子体系电荷输运研究表明C70在二棕榈酰磷脂酰胆碱磷脂双分子子层中形成聚集体。一个最近的研究证明了C60纳米团簇实际上确认在二棕榈酰磷脂酰胆碱双分子层之内。其他实验研究表明C60在二棕榈磷脂酰胆碱单分子层和巨噬细胞膜内吸收，也表明会聚集在一起。未指定这些簇的确切的大小。

关于纳米颗粒与磷脂双分子层之间的相互作用的尺度效应还知之甚少。一个最近的立方形纳米颗粒的模拟研究表明了在纳米颗粒的大小范围从1.2nm到2.9nm，转运后自由能明显地减少了（更强的吸收）。使用一个粗粒化模型来研究它们的跨二棕榈酰磷脂酰胆碱磷脂双分子层的转运特性。由于立方形纳米颗粒和缺乏原子论的参考数据的结果提供，只是相当于定性的发现。在这项研究中，我们提出了在液相这个环境条件中，富勒烯从水相转运到二油酰基磷脂酰胆碱磷脂双分子层的中心的尺度效应的一个模拟研究。富勒烯可以通过实验方法来制造，提供了一个很好的明确的碳纳米微球模型系统使它们与脂膜之间的相互作用的尺度效应有一个系统性的研究提供了可能性。特别地，我们研究了C₆₀,C₁₈₀和C₅₄₀富勒烯的分配行为。后面的富勒烯的大小达到双分子层的疏水核心的厚度（～3nm），超过在双分子层表面上的相邻的端基之间的距离的平均厚度（～0.8nm）。

使用广泛的全原子和粗粒化分子动力学模拟，我们集中在一些主要观点。第一，我们研究富勒烯进入水/脂质交界面的机制，特别对更大的富勒烯感兴趣。第二，我们提出三个富勒烯类型的自发的吸收的平均力势剖面图。我们将发现一个单一的富勒烯从水转运到一个二油酰基磷脂酰胆碱双分子层比较它们的转运从水进入大量的己烷中明显是不同的。第三，当考虑到同时多个富勒烯的相互作用时，我们研究出在研究的富勒烯类型中存在显著的质的差异。在我们以前的研究中，我们观察到C₆₀在二油酰基磷脂酰胆碱双分子层内部聚集与实验结果是一致的。在这项研究中，我们发现C₅₄₀很好地聚集在一起。对比C₆₀,C₅₄₀簇诱导双分子层产生强曲率的影响，造成双分子层结构极端扭曲。可以预测出通过添加添加剂造成双分子层扭曲。在这些研究中，添加剂不能被膜完全吸收，对膜表面施加影响。这里我们初次显示了在膜内如何造成双分子层扭曲。这些发现对理解碳纳米颗粒被人类吸收的细胞毒性有明显的启示。

本文的具体内容分别如下。我们首先提出全原子和粗粒化模拟模型，给出一个模拟设置和平均力场的计算方法的细节方面的概述。在这个结果部分，我们提出和讨论上面提到的性能。这里，我们也通过比较产生于全原子模拟和并列在二油酰基磷脂酰胆碱/水和己烷-水系统中富勒烯的转运性质的平均力场来验证这个粗粒化模型。我们集中在多个富勒烯在双分子层内部的相关影响和在双分子层结构的影响。我们最终得出了结论和给出了一个基于这个研究的短期的未来工作展望。

2.模拟模型和方法

我们用全原子和粗粒化模拟模型作为这个富勒烯/脂质/水和富勒烯/己烷-水系统。我们首先描述这个全原子模型和相应的分子动力学模拟的模拟设置。这个二油酰基磷脂酰胆碱脂质和己烷分子的全原子模型是基于包含TIP3P水模型的CHARMM27力场。富勒烯模型的相互作用参数取自Bedrov等。全原子模拟用GROMACS4运行。请注意根据Siu等Gromacs兼容二油酰基磷脂酰胆碱脂质的CHARMM力场转换必须被应用。

所有键涉及氢原子用LINCS和SETTLE（水的氢原子）允许2fs时间步长的算法来约束。在1.0nm切断非键相互作用。静电相互作用被看作使用这个在网格点之间三次插值带有0.12nm网格间距的粒子网格埃瓦尔德法。使用一个贝伦德森恒温器，这个系统连结一个带有1ps^-1的耦合常数的298K温浴。正如最近详细讨论的二油酰基磷脂酰胆碱系统要求表面张力恒定为了确保一个真实的区域，每一个脂质大约0.72nm。当双分子层表面的垂直压力（z方向）保持在1bar，表面张力保持在440 bar nm(每一个交界面220 bar nm），使用贝伦德森压力连结一个1ps 的阻尼时间和一个4.5 times;10^-5 bar^-1 的水压缩性。在己烷-水系统各向同性的压力耦合被应用于在表面张力模拟的参数的相同的参数设定。周期性边界条件被应用于各方向。单一的富勒烯开始被放置在水相。磷脂双分子层结构由较小的预平衡设置（在100ns之后）建立。我们要按照富勒烯类型改变系统的大小。在表1中，被用作平均力场计算的全原子和粗粒化模拟给予分子的数目和箱尺寸的平均值。

表1 被用作平均力场计算的全原子和粗粒化模型的参数设定。N_hc和N_w分别表示脂质/己烷分子和水分子的数目。请注意粗粒化模拟中水分子总数是指粗粒化水分子的数目。

＜L_i＞是箱尺寸相应的平均值和R是全原子和粗粒化模型的有效的富勒烯半径。

对于平均力场计算，富勒烯开始被放置在水相离脂质（或己烷）界面大约2nm（表面到表面的距离)。把富勒烯的质量中心和双分子层（或己烷）质量中心分离的z分量是固定的，被表示为z₀。对于每一个分区z₀都允许富勒烯的横向流动。距离约束被实施通过应用一个伞形谐波函数弹簧势能和1000KJ/(mol nm²)的力常数。系统开始平衡在50ns。此后富勒烯用0.1nm的步长（窗口）移向双分子层中心面。在每个窗口，系统平衡在20ns随后一个10ns的生产运行。步长大小减少到0.05nm，运行时间增加到关键位置，比如端基区域。记录的力直方图结合加权直方图分析方法通过格拉斯费尔德数值来实施。在平均力场的算法中，对于每一个全原子系统的模拟时间总的累计的大约为1.5us，展现在表1中。

以前，在我们的团队中，粗粒化模型就已经用到这个研究。特别地，粗粒化苯基力场被用作富勒烯模型的细节以前就讨论过了。这个力场准确地展现了脂质模型和富勒烯系统。这个绘图用作基于一个粗粒化的富勒烯系统：在BER CG 中，碳原子的比列为2:3。用作C₆₀,C₁₈₀和C₅₄₀的BER CG的数目分别是40，120和360。

从桑迪亚国家实验室用LAMMPS分子动力学来执行粗粒化分子动力学模拟。用一个两级RESPA多时刻步积分来执行全原子模拟。以一个2fs的内部时间步长来评估键长和键角势能，以10fs的外部时间步长来评估非键相互作用。用Nose-Hoover算法来控制温度和压力。非键相互作用在1.5nm被切断，用带有0.2nm的网格空间的粒子与粒子之间质点网格法实施的LAMMPS来计算静电学（包括远程相互作用）。粗粒化水模型取自通过Shinoda等发展的粗粒化力场。相互作用涉及我们最近发展的BER参数。粗粒化脂质参数取自我们最近发展的PC模型。所有模拟以298K运行。

转运自由能的粗粒化分子动力学算法，所有模拟用LAMMPS分子动力学来执行。充分平衡的水合二油酰基磷脂酰胆碱双分子层系统被用作初始构型。一个单一的溶质分子被放置在系统的水区域，用一个0.1nm .ns^-1的速度参数和一个4.2times; 10⁴ KJ/（mol. nm²)的力常数来把它拉进双分子层的中心。每个系统以多个的拉力（大约为50）来执行，每一个系统的总的模拟时间为1.2nm。在上面的全原子分子动力学算法中，用相等的系统大小来进行粗粒化分子动力学模拟。

3.结果与讨论

我们开始分析单一的富勒烯的转运。除了明确的呈述，下面关于单一的富勒烯的特性参考全原子分子动力学结果的讨论。碳颗粒开始被放置在水相，逐步地靠近磷脂双分子层。直到富勒烯接触到双分子层表面，可以从脂质的端基分布观察到后者保持原状。在图1的密度图中，密度分布表示双层的脂质氮n_（z）邻近C₅₄₀。当富勒烯完全地在双分子层外面（z₀ge;4nm）或者完全地被吸收进双分子层核心（z₀le;2nm）时，分布是对称的。与之相反，当富勒烯表面接触到交界面时，分布是不对称的。在这些富勒烯的位置，双分子层表面经过了一个局部的变动。脂质分子穿出双分子层表面和与富勒烯紧紧结合。图1表示快照从通过可以被看到的脂质分子部分封装的富勒烯的C₅₄₀全原子分子动力学模拟获得。进入机制类似于碳纳米管进入磷脂双分子层的转运过程。在入口，局部的双分子层扭曲可以被清晰地观察到，也反映了端基密度分布n_（z）在尾部的形成。请注意以一个单胞的大模拟为限，仅包含一些富勒烯和大量脂质，要求富勒烯周围脂质的横向截止距离。只有横向截止距离的脂质分子用作n_（z）的计算，提供n_（z）的有意义的能见度的改变，它们表现在图1中。我们表示在我们的研究中，在x/y方向上，在一半箱长度之间是不同的，它的数值大约是3-3.5nm，富勒烯的半径请看表1。我们也对较小的富勒烯的n_（z）进行检查，不能在C₅₄₀的情况下，观察到表面扭曲的程度。事实上，在C<su

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