Janus石墨烯量子點(diǎn)在生物膜中的輸運(yùn)行為：分子動(dòng)力學(xué)模擬

劉洪超，陳蘇航，段先力，吳凡，徐小飛，宋先雨，趙雙良，劉洪來(lái)

（1 重慶三峽學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，三峽 庫(kù)區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 404020；2 華東理工大學(xué)化工學(xué)院，化學(xué) 工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；3 廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西 石化資源加工與過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；4 華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，化學(xué) 工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

引 言

石墨烯量子點(diǎn)（graphene quantum dots, GQDs）是一種同時(shí)具有石墨烯和碳量子點(diǎn)特性的零維材料，由單層或多層石墨烯組成，尺寸小于100 nm[1]。因其可調(diào)的光致發(fā)光特性、獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)、良好的生物相容性和微納尺寸等特點(diǎn)[2-3]，被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)、化工新材料、能源器件等前沿領(lǐng)域。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，石墨烯量子點(diǎn)作為納米載體可以將藥物定點(diǎn)遞送至腫瘤細(xì)胞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靶向治療。在此過(guò)程中，跨膜輸運(yùn)是實(shí)現(xiàn)藥物遞送的重要環(huán)節(jié)，也是提高納米載體靶向輸運(yùn)效率、減少生物積累、降低細(xì)胞毒性的關(guān)鍵[4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從納米材料的尺寸、形狀、化學(xué)組成、親/疏水性等方面，探索了石墨烯量子點(diǎn)物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)跨膜輸運(yùn)行為的影響[4-6]。其中，在石墨烯量子點(diǎn)與細(xì)胞膜相互作用機(jī)制研究方面，岳華等[7]綜述了納米石墨烯與細(xì)胞膜間的生物刺激響應(yīng)機(jī)制，枚舉了不同結(jié)構(gòu)的納米石墨烯在細(xì)胞膜表面發(fā)生的多種復(fù)雜內(nèi)化形式，包括水平摩擦式、豎直嵌入式、三明治超級(jí)組裝、選擇性胞吞、胞內(nèi)限域折疊等。周夢(mèng)迪等[8]綜述了近年來(lái)石墨烯與細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)和DNA 等生物大分子相互作用的研究進(jìn)展，為石墨烯的生物醫(yī)藥應(yīng)用及安全性評(píng)價(jià)提供了重要參考。目前，調(diào)控石墨烯量子點(diǎn)的物理化學(xué)性質(zhì)已成為研究熱點(diǎn)，其核心在于強(qiáng)化界面處的分子傳遞、能量轉(zhuǎn)化機(jī)制[9]。在跨膜輸運(yùn)過(guò)程中，石墨烯量子點(diǎn)與細(xì)胞膜及其周?chē)禺愋原h(huán)境接觸，形成異質(zhì)性空間分布，即構(gòu)成“納米-生物”微界面，通過(guò)界面處的動(dòng)態(tài)物理化學(xué)作用以及能量交換實(shí)現(xiàn)跨膜輸運(yùn)[10]。因此，認(rèn)識(shí)和理解由石墨烯量子點(diǎn)構(gòu)成的“納米-生物”微界面熱力學(xué)行為至關(guān)重要[11]。目前，對(duì)“納米-生物”微界面開(kāi)展的研究初步表明，微界面處的各種分子會(huì)產(chǎn)生不同形式的能量和分子間作用（包括靜電作用、范德華作用、溶劑化作用等），進(jìn)而主導(dǎo)著整個(gè)跨膜輸運(yùn)過(guò)程[12]。

分子模擬技術(shù)在研究非平衡態(tài)界面熱力學(xué)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用[13-14]，它不僅能從分子尺度詮釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還能為微納界面處的各種物理化學(xué)過(guò)程提供新的見(jiàn)解[15-18]，已被廣泛用于納米載體與細(xì)胞膜相互作用機(jī)制研究[8,19-20]。例如，Shen 等采用全原子分子動(dòng)力學(xué)報(bào)道了石墨烯量子點(diǎn)跨膜輸運(yùn)行為，發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)的尺寸越大跨膜輸運(yùn)能壘越高[21]；較小尺寸的石墨烯量子點(diǎn)作為納米載體可以顯著降低阿霉素、脫氧腺苷藥物的跨膜輸運(yùn)能壘[22]。Li 等[6]利用耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬研究了錐形石墨烯跨膜輸運(yùn)行為，發(fā)現(xiàn)尖端形狀、尺寸和表面疏水特性都會(huì)影響其跨膜能壘，而石墨烯的彎曲剛度對(duì)其滲透過(guò)程的影響卻很小。最新研究發(fā)現(xiàn)增加石墨烯的氧化程度有助于提高其藥物輸送效率，降低細(xì)胞毒性[5,19,23]。與氧化官能團(tuán)均勻分布的傳統(tǒng)石墨烯不同，Janus石墨烯量子點(diǎn)在石墨烯片兩端呈現(xiàn)空間不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)性質(zhì)，類(lèi)似于表面活性劑的結(jié)構(gòu)特性[24]。因此，Janus 石墨烯量子點(diǎn)跨膜輸運(yùn)行為同時(shí)受到氧化位點(diǎn)空間異質(zhì)分布、氧化程度（親水-親油平衡）共同影響，進(jìn)而可能誘導(dǎo)產(chǎn)生特殊的跨膜輸運(yùn)行為。盡管氧化官能團(tuán)的空間異質(zhì)分布對(duì)其跨膜輸運(yùn)有較大影響，但這方面的研究較少。

從熱力學(xué)角度分析Janus 石墨烯量子點(diǎn)空間異質(zhì)分布及氧化程度對(duì)跨膜輸運(yùn)的影響，有助于總結(jié)其跨膜輸運(yùn)規(guī)律，闡明相關(guān)構(gòu)-效關(guān)系，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文從空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，構(gòu)建了一系列不同氧化程度與空間異質(zhì)分布的Janus 石墨烯量子點(diǎn)，并利用全原子拉伸分子動(dòng)力學(xué)（steered molecular dynamics，SMD）模擬研究了其跨膜輸運(yùn)過(guò)程中的能量特征，重點(diǎn)考察Janus 石墨烯量子點(diǎn)親水-親油平衡、外力牽引對(duì)其跨膜輸運(yùn)行為的影響規(guī)律，為Janus 石墨烯量子點(diǎn)的設(shè)計(jì)及生物醫(yī)藥應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 分子動(dòng)力學(xué)模擬

1.1 分子模型與力場(chǎng)

本文以二棕櫚酰磷脂酰膽堿（dipalmitoylphosphatidylcholine，DPPC）為細(xì)胞膜磷脂雙分子層主要成分，利用Packmol 軟件構(gòu)建雙層細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，膜厚度約4.5 nm。為構(gòu)建不同氧化程度與空間分布的Janus石墨烯量子點(diǎn)，本文采用東京大學(xué)開(kāi)發(fā)的網(wǎng)頁(yè)版PolyParGen 力場(chǎng)工具（http://polypargen.com/）構(gòu)建相關(guān)分子結(jié)構(gòu)及力場(chǎng)參數(shù)。該工具能為聚合物或大分子提供OPLS-aa 和Amber 力場(chǎng)參數(shù)，包括分子動(dòng)力學(xué)模擬需要的非鍵相互作用參數(shù)、鍵合相互作用參數(shù)。本文采用OPLS-aa 力場(chǎng)描述分子間相互作用，其中，非鍵相互作用由Lennard-Jones 12-6勢(shì)函數(shù)及庫(kù)侖作用勢(shì)函數(shù)加和得到，計(jì)算方程如下：

式中，σij、εij為原子間的Lennard-Jones 勢(shì)函數(shù)參數(shù)，不同原子間的Lennard-Jones 參數(shù)依據(jù)Lorentz-Berthelot 混合規(guī)則計(jì)算可得；rij為原子間的距離，nm；qi、qj分別為i原子、j原子所帶電荷，C；ε0為介電常數(shù)，F(xiàn)/m。此外，一般分子內(nèi)1，4 交互作用系數(shù)fij為0.5，其他均取為1.0[25]。

鍵合相互作用參數(shù)分別由鍵長(zhǎng)、鍵角、扭轉(zhuǎn)角勢(shì)能項(xiàng)構(gòu)成，計(jì)算公式分別如下：

式中，Kr、Kθ、Vn分別為鍵長(zhǎng)、鍵角、扭轉(zhuǎn)角勢(shì)能項(xiàng)中的系數(shù)；req為平衡時(shí)鍵長(zhǎng)距離，nm；θeq為平衡時(shí)鍵角，(°)；φn為扭轉(zhuǎn)角多項(xiàng)式的平衡角度，(°)。

本文采用PolyParGen 力場(chǎng)工具為DPPC 分子及Janus石墨烯量子點(diǎn)構(gòu)建的相關(guān)OPLS-aa力場(chǎng)參數(shù)。該工具已廣泛應(yīng)用于各種有機(jī)物的物理化學(xué)、熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好吻合[26-29]。溶劑水分子設(shè)置為擴(kuò)展簡(jiǎn)單點(diǎn)電荷SPC/E 模型[30]。圖1 為構(gòu)建的模擬系統(tǒng)和不同空間異質(zhì)分布、不同氧化程度的Janus 石墨烯量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1（a）所示，細(xì)胞膜由312 個(gè)DPPC 分子構(gòu)成，添加近5.3×104個(gè)溶劑分子，進(jìn)而組成尺寸為10.0 nm×10.0 nm×20.0 nm 的模擬系統(tǒng)。在初始構(gòu)型中，溶劑密度接近1.0 g/cm3，Janus 石墨烯量子點(diǎn)以親水端垂直放置于細(xì)胞膜表面0.5 nm處。事實(shí)上，Janus石墨烯量子點(diǎn)的制備與運(yùn)用已被報(bào)道。例如，Zhang等[24]結(jié)合插層氧化和強(qiáng)超聲剝離技術(shù)制備了一系列Janus 石墨烯量子點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)表征如圖1（b）所示[24]。為模仿該結(jié)構(gòu)，同時(shí)也為探究氧化官能團(tuán)空間異質(zhì)分布對(duì)跨膜輸運(yùn)的影響，本文分別構(gòu)建三角形、方形空間異質(zhì)分布的Janus 石墨烯量子點(diǎn)，如圖1（c）、（d）所示。構(gòu)建的Janus 石墨烯量子點(diǎn)的尺寸為2.0 nm×4.6 nm，具體的Janus 石墨烯量子點(diǎn)氧化特性參數(shù)如表1 所示，氧化程度為7.213%～15.29%。本文石墨烯氧化程度定義為：NO/（NC+NO），其中，NO為氧原子數(shù)目，NC為碳原子數(shù)目。構(gòu)建的氧化石墨烯C∶O約為2.88，高于實(shí)驗(yàn)制備的1.4～2.2[31]，這主要因?yàn)镴anus 石墨烯量子點(diǎn)一端未被氧化造成的。此外，氧化官能團(tuán)中的羥基（R—OH）、羧基（R—COOH）、環(huán)氧基（R—O—R′）官能團(tuán)比例為1.0∶0.86∶1.0～1.0∶1.75∶1.0，接近實(shí)驗(yàn)制備的1.05∶0.9∶1.0～1.0∶1.2∶0.96[31-32]，其中羧基比例較實(shí)驗(yàn)結(jié)果高，這主要是由于氧化官能團(tuán)異質(zhì)分布導(dǎo)致的邊際碳原子比例增加造成的。

表1 Janus石墨烯量子點(diǎn)氧化特性參數(shù)Table 1 Oxidation characteristics of Janus graphene quantum dots

圖1 模擬系統(tǒng)示意圖及模擬與實(shí)驗(yàn)的Janus石墨烯量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)比較(圖1(b)經(jīng)文獻(xiàn)[24]復(fù)制許可，版權(quán)所有為2020 Elsevier Ltd.)Fig.1 Schematics of mimicked system and structure comparison of Janus graphene quantum dots derived from simulation and experiment(Fig.1(b)is reproduced with permission from Ref.[24],copyright 2020 Elsevier Ltd.)

1.2 模擬細(xì)節(jié)

在進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬之前，系統(tǒng)先通過(guò)最速下降法降低體系總能量，使得系統(tǒng)松弛。當(dāng)體系勢(shì)能小于1000.0 kJ/(mol·nm)時(shí)結(jié)束計(jì)算，以避免初始構(gòu)型因原子重疊而造成的局部能量過(guò)高，提高體系的穩(wěn)定性；進(jìn)而在NVT（constant-temperature,constant-volume）系綜條件下進(jìn)行0.05 ns 分子動(dòng)力學(xué)模擬，最后在NPT（constant-temperature,constantpressure）系綜條件下執(zhí)行200.0 ns 動(dòng)力學(xué)平衡計(jì)算。該計(jì)算過(guò)程采用Berendsen溫度耦合算法控溫，溫度保持在300 K，采用Parrinello-Rahman 壓力耦合算法控壓，耦合類(lèi)型為Semi-isotropic，壓力耦合時(shí)間常數(shù)為2.0 ps，且系統(tǒng)壓力保持在1.0 bar（1 bar=105Pa）[30]。所有鍵長(zhǎng)采用LINCS 算法約束，長(zhǎng)程靜電相互作用采用PME 算法，截?cái)喟霃綖?2.5 ?(1?=0.1 nm)[33]。采用周期性邊界條件，計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)置為2.0 fs，每100.0 ps輸出一幀結(jié)果文件，用于計(jì)算系統(tǒng)的各種能量和結(jié)構(gòu)變化。動(dòng)力學(xué)模擬由高性能分子模擬計(jì)算軟件包Gromacs 2019.6 執(zhí)行完成，計(jì)算任務(wù)在配備為256 GB 內(nèi)存的雙路Intel(R)Xeon(R)Gold 6130 CPU@2.10GHz 多節(jié)點(diǎn)計(jì)算平臺(tái)運(yùn)行，為加速動(dòng)力學(xué)計(jì)算，長(zhǎng)程靜電相互作用部分采用CPU 計(jì)算，Lennard-Jones 及鍵合作用部分采用NVIDIA GeForce RTX 3090 加速顯卡計(jì)算。計(jì)算得到的模擬結(jié)果利用Visual Molecular Dynamics（VMD）可視化軟件作圖，動(dòng)力學(xué)軌跡性質(zhì)分析由Gromacs 軟件后處理工具和實(shí)驗(yàn)室編寫(xiě)腳本完成。本文計(jì)算的分子間范德華、靜電相互能量曲線是基于Gromacs軟件中的rerun與energy命令實(shí)現(xiàn)的。首先提取兩組分軌跡文件，再使用rerun命令重新計(jì)算軌跡，最后使用energy 命令計(jì)算該軌跡產(chǎn)生的各個(gè)能量項(xiàng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 外力依賴(lài)的跨膜行為

為加快Janus 石墨烯量子點(diǎn)跨膜輸運(yùn)過(guò)程，采用拉伸分子動(dòng)力學(xué)模擬[20]探究不同拉伸強(qiáng)度條件下Janus 石墨烯量子點(diǎn)跨膜輸運(yùn)行為。使用彈簧勢(shì)線性恒力拉動(dòng)量子點(diǎn)的質(zhì)心向細(xì)胞膜逐漸靠近，拉伸強(qiáng)度為200.0～1600.0 kJ/(mol·nm)。其中，拉伸強(qiáng)度為800.0 kJ/(mol·nm)時(shí)，中等氧化強(qiáng)度(12.27%)的Janus 石墨烯量子點(diǎn)跨膜輸運(yùn)路徑俯視圖如圖2（a）所示。可以觀察到，在初始階段，為了避免高的跨膜能壘，Janus石墨烯量子點(diǎn)首先利用其親水頭部選擇性地吸附在細(xì)胞膜表面。在隨后的50.0 ns 內(nèi)，拖拽自身疏水尾部滲透至細(xì)胞膜內(nèi)。隨著模擬的時(shí)間增加，在200.0 ns 時(shí)，觀測(cè)到穩(wěn)定的跨膜內(nèi)化構(gòu)型，其中親水頭部朝向溶劑，而疏水尾部嵌入至細(xì)胞膜內(nèi)。Janus石墨烯量子點(diǎn)與報(bào)道的石墨烯、氧化石墨烯量子點(diǎn)的跨膜輸運(yùn)行為有較大差異。例如，Li 等[4]基于分子模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，觀測(cè)到疏水的石墨烯刺穿滲透至細(xì)胞膜是由石墨烯材料的不規(guī)則邊緣或凹凸結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)發(fā)生的。而對(duì)于傳統(tǒng)的氧化石墨烯量子點(diǎn)，Dallavalle等[23]發(fā)現(xiàn)，氧化官能團(tuán)隨機(jī)分布在石墨烯表面有利于其實(shí)現(xiàn)縱向跨膜。本文觀測(cè)到的Janus 石墨烯量子點(diǎn)跨膜輸運(yùn)是由其氧化的親水頭部與疏水尾部協(xié)同完成的。

圖2 不同外力條件下Janus石墨烯量子點(diǎn)的生物膜內(nèi)化過(guò)程Fig.2 Membrane internalization of Janus graphene quantum dots under different external forces

為了探究不同拉伸強(qiáng)度條件下的Janus石墨烯量子點(diǎn)跨膜輸運(yùn)行為，圖2（b）給出了Janus石墨烯量子點(diǎn)與細(xì)胞膜質(zhì)心距離隨時(shí)間演化曲線。Janus石墨烯量子點(diǎn)呈現(xiàn)特殊的外力依賴(lài)性跨膜行為：當(dāng)拉伸強(qiáng)度小于600.0 kJ/(mol·nm)時(shí)，質(zhì)心距離曲線有所下降但不明顯，Janus石墨烯量子點(diǎn)并沒(méi)有成功嵌入細(xì)胞膜中；當(dāng)拉伸強(qiáng)度大于800.0 kJ/(mol·nm)，質(zhì)心距離曲線在5.0 ns的初始階段迅速下降，進(jìn)而逐漸呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，最終Janus石墨烯量子點(diǎn)成功嵌入細(xì)胞膜中。此外，為了分析動(dòng)力學(xué)過(guò)程的分子熱力學(xué)變化規(guī)律，還記錄了Janus石墨烯量子點(diǎn)與細(xì)胞膜間的能量變化曲線。圖2（c）為分子間范德華作用能量曲線，該曲線下降趨勢(shì)與質(zhì)心距離曲線呈現(xiàn)相同的外力依賴(lài)性變化規(guī)律，當(dāng)拉伸強(qiáng)度大于800.0 kJ/(mol·nm)時(shí)，分子間范德華作用能量曲線顯著下降，進(jìn)而避免了高的跨膜能壘。圖2（d）為分子間的靜電相互作用能量曲線，與范德華作用能量曲線相比，靜電相互作用能量曲線并沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的外力依賴(lài)性變化。當(dāng)拉伸強(qiáng)度為200.0 kJ/(mol·nm)時(shí)，范德華作用能量呈現(xiàn)最低的狀態(tài)，而拉伸強(qiáng)度大于200.0 kJ/(mol·nm)時(shí)，范德華作用能量下降卻不明顯。這主要是由于在不同拉伸強(qiáng)度條件下Janus 石墨烯量子點(diǎn)在細(xì)胞膜表面發(fā)生著不同吸附形式，進(jìn)而誘導(dǎo)不同的跨膜輸運(yùn)行為造成的，結(jié)果如圖3 所示。在低的拉伸強(qiáng)度條件下[≤200.0 kJ/(mol·nm)]，Janus 石墨烯量子點(diǎn)在細(xì)胞膜表面呈現(xiàn)平躺式吸附構(gòu)型，如圖3（a）所示。而當(dāng)拉伸強(qiáng)度增加[如為1200.0 kJ/(mol·nm)]，Janus 石墨烯量子點(diǎn)嵌入細(xì)胞并呈現(xiàn)縱向攝入狀態(tài)，如圖3（b）所示。此外，平躺式吸附、縱向攝入均會(huì)造成細(xì)胞膜呈現(xiàn)異質(zhì)性結(jié)構(gòu)分布，進(jìn)而誘導(dǎo)不同程度的細(xì)胞毒性。

圖3 Janus石墨烯量子點(diǎn)在生物膜中的結(jié)構(gòu)表征Fig.3 Structural characterizations of Janus graphene quantum dots in biomembrane

2.2 親水-親油平衡調(diào)控跨膜行為

圖2 觀測(cè)到Janus 石墨烯量子點(diǎn)的跨膜輸運(yùn)是由其親水頭部與疏水尾部協(xié)同控制的，對(duì)此進(jìn)一步探究不同氧化程度對(duì)Janus 石墨烯量子點(diǎn)跨膜輸運(yùn)的影響。拉伸強(qiáng)度為600.0 kJ/(mol·nm)時(shí)，不同氧化程度下的Janus石墨烯量子點(diǎn)跨膜輸運(yùn)結(jié)果如圖4所示。盡管拉伸強(qiáng)度由原來(lái)的800.0 kJ/(mol·nm)降至600.0 kJ/(mol·nm)，仍能觀察到不同的細(xì)胞膜攝取過(guò)程。圖4（a）表明，隨著氧化程度的增加，Janus 石墨烯量子點(diǎn)進(jìn)入細(xì)胞膜需要的動(dòng)力學(xué)時(shí)間也逐漸增加。傳統(tǒng)的氧化石墨烯氧化程度高，跨膜能壘也高，因此未觀測(cè)到傳統(tǒng)的氧化石墨烯成功嵌入細(xì)胞膜中。在熱力學(xué)分析方面，圖4（b）、（c）表明，隨著氧化程度的增加，分子間范德華相互作用能量也增加，而分子間靜電相互作用能量降低。這是因?yàn)殡S著氧化程度的增加，Janus 石墨烯量子點(diǎn)的疏水比表面面積降低、親水特性增加，進(jìn)而導(dǎo)致各項(xiàng)能量變化。比較分子間范德華、靜電相互作用能量可以發(fā)現(xiàn)，分子間范德華相互作用能量始終低于靜電相互作用能量，即Janus 石墨烯量子點(diǎn)的跨膜驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于Janus 石墨烯量子點(diǎn)及磷脂雙分子層尾部的疏水締合作用。對(duì)于氧化石墨烯，盡管分子間范德華相互作用能量較Janus 石墨烯量子點(diǎn)高，但分子間靜電相互作用能量卻很低，這與其在細(xì)胞膜表面的吸附形態(tài)有關(guān)。如圖4（d）所示，Janus 石墨烯量子點(diǎn)都成功實(shí)現(xiàn)跨膜輸運(yùn)，而氧化石墨烯平躺式吸附在細(xì)胞膜表面。特別地，可以觀測(cè)到磷脂雙分子層表面的極性部分通過(guò)靜電相互作用牢牢地使氧化石墨烯表面的氧化官能團(tuán)粘黏在細(xì)胞膜表面。此外，分析圖4（d）可以發(fā)現(xiàn)，Janus 石墨烯量子點(diǎn)以親水頭部朝向溶劑，疏水尾部縱向嵌入細(xì)胞膜內(nèi)部而被細(xì)胞膜攝取。因此可以推斷，石墨烯的親水部分可以強(qiáng)化其在細(xì)胞膜表面的粘黏，而疏水部分可以降低跨膜能壘增進(jìn)細(xì)胞膜攝取。

圖4 不同氧化程度的方形異質(zhì)氧化Janus石墨烯量子點(diǎn)的生物膜內(nèi)化過(guò)程Fig.4 Membrane internalization of heterogeneously square-shaped oxidized Janus graphene quantum dots with various oxidation degrees

2.3 異質(zhì)空間分布對(duì)跨膜輸運(yùn)的影響

進(jìn)一步對(duì)比三角形、方形異質(zhì)氧化空間分布對(duì)Janus 石墨烯量子點(diǎn)的跨膜輸運(yùn)行為的影響。在施加拉伸強(qiáng)度為600.0 kJ/(mol·nm)條件下，三角形異質(zhì)氧化的Janus 石墨烯量子點(diǎn)跨膜輸運(yùn)結(jié)果如圖5所示。如圖5（a）所示，中等氧化程度（12.27%）的Janus 石墨烯量子點(diǎn)需要近190.0 ns 的動(dòng)力學(xué)時(shí)間才能成功遷移至細(xì)胞膜表面與其粘黏；但只有氧化程度高的Janus 石墨烯量子點(diǎn)才能成功被細(xì)胞膜攝取。如圖5（b）、（c）所示，氧化程度低的Janus 石墨烯量子點(diǎn)在細(xì)胞膜表面發(fā)生吸附，并觀測(cè)到分子間范德華相互作用能量較高，而分子間靜電相互作用能量較低。雖然氧化程度高的Janus 石墨烯量子點(diǎn)成功嵌入細(xì)胞膜中，三角形異質(zhì)氧化分布導(dǎo)致的能量曲線卻高于方形異質(zhì)氧化分布。這是因?yàn)镴anus石墨烯量子點(diǎn)在細(xì)胞膜內(nèi)的嵌入路徑差異導(dǎo)致的，如圖5（d）所示。三角形異質(zhì)氧化分布使得Janus 石墨烯量子點(diǎn)與細(xì)胞膜形成較長(zhǎng)的接觸線，進(jìn)而增加了Janus 石墨烯量子點(diǎn)的溶劑可及面積[圖5（e）]，高的溶劑化效應(yīng)額外增加了跨膜能壘。與圖2 相比，降低拉伸強(qiáng)度后，三角形異質(zhì)氧化的Janus 石墨烯量子點(diǎn)由于高的能壘很難實(shí)現(xiàn)跨膜。重要的是，對(duì)于三角形異質(zhì)氧化分布的Janus 石墨烯量子點(diǎn)，低的氧化程度有利于細(xì)胞膜對(duì)其成功攝取，而較高氧化程度的Janus 石墨烯量子點(diǎn)卻呈現(xiàn)半跨膜狀態(tài)。與方形異質(zhì)氧化分布的Janus 石墨烯量子點(diǎn)相比，三角形異質(zhì)氧化分布更能降低跨膜輸運(yùn)能壘。

圖5 不同外力條件下三角形異質(zhì)氧化Janus石墨烯量子點(diǎn)的生物膜內(nèi)化過(guò)程Fig.5 Membrane internalization of heterogeneously triangle-shaped oxidized Janus graphene quantum dots under different external forces

3 結(jié) 論

從空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，構(gòu)建了一系列不同氧化程度與空間異質(zhì)分布的Janus 石墨烯量子點(diǎn)，采用拉伸分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了Janus 石墨烯量子點(diǎn)跨膜輸運(yùn)行為。結(jié)果表明Janus 石墨烯量子點(diǎn)跨膜輸運(yùn)是由其氧化的親水頭部與疏水尾部協(xié)同決定的，Janus石墨烯量子點(diǎn)首先利用其極性親水頭部通過(guò)靜電相互作用吸附在細(xì)胞膜表面，進(jìn)而借助于疏水尾部與磷脂雙分子尾鏈間的疏水締合作用實(shí)現(xiàn)跨膜輸運(yùn)。由于溶劑化效應(yīng)，氧化程度的增加會(huì)增高其跨膜能壘，與三角形異質(zhì)氧化分布相比，方形異質(zhì)氧化分布的Janus 石墨烯量子點(diǎn)可以降低溶劑化效應(yīng)，更容易被細(xì)胞膜攝取。