王 玲，張海珍，劉天成，楊 愷

(1.蘇州大學(xué) 軟凝聚態(tài)物理及交叉研究中心,江蘇 蘇州 215006;2.云南民族大學(xué) 云南省生物高分子功能材料工程技術(shù)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(jié)構(gòu)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(gè)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(fā)地形成各種有序的納米結(jié)構(gòu)，如膠束、平面雙層膜和囊泡等[1].這些結(jié)構(gòu)在生物、醫(yī)學(xué)等許多方面都有著重要的研究價(jià)值和應(yīng)用前景.

當(dāng)共聚物的濃度達(dá)到臨界膠束濃度(CMC)后[2]，兩嵌段共聚物會(huì)自組裝成膠束.此時(shí)，聚合物上的疏水段和親水段會(huì)發(fā)生微相分離，自發(fā)地形成疏水段向內(nèi)，親水段向外的核-殼結(jié)構(gòu).人們可以依據(jù)聚合物疏水鏈段的不同性質(zhì)，通過化學(xué)、物理以及靜電作用等方法將藥物進(jìn)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(fā)生分離.因此，膠束被認(rèn)為是一種重要的納米尺度的藥物輸運(yùn)載體[3-6].

當(dāng)共聚物的濃度進(jìn)一步增大后，雙親性兩嵌段共聚物的聚集結(jié)構(gòu)會(huì)再次發(fā)生變化而形成雙分子層結(jié)構(gòu).這種奇特的結(jié)構(gòu)與細(xì)胞中某些重要的生命現(xiàn)象聯(lián)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(xì)胞膜的基本骨架.從結(jié)構(gòu)上來看，磷脂正屬于雙親性兩嵌段共聚物，同時(shí)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(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對于人們認(rèn)識(shí)細(xì)胞膜的生物功能也具有重要意義.

嵌段共聚物不同聚集結(jié)構(gòu)之間的融合現(xiàn)象具有重要的研究價(jià)值，如膠束之間的融合被視為共聚物聚集結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的一個(gè)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(xì)胞輸送藥物過程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟，對于人們理解和控制膠束的藥物輸運(yùn)特性具有十分重要的意義.但由于這些融合現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間尺度和空間尺度都非常小，在目前的實(shí)驗(yàn)手段下，很難直接通過實(shí)驗(yàn)觀察來揭示融合現(xiàn)象的分子細(xì)節(jié).因此，我們采用分子動(dòng)力學(xué)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(jī)制進(jìn)行了研究.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 粗?；Ｐ秃湍M參數(shù)

圖1顯示了模擬中采用的雙親性兩嵌段共聚物的粗?；Ｐ?這一模型主要基于PEG表面活性劑而構(gòu)造得到[7-9].Klein等[10]的工作表明，這個(gè)模型能形成與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的雙分子層膜和膠束結(jié)構(gòu)，以及雙分子層結(jié)構(gòu)中的側(cè)向?qū)ΨQ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(jù)珠子的親疏水性質(zhì)，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(jié)構(gòu)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(wěn)定的膠束結(jié)構(gòu)，膠束中還會(huì)含有部分帶電的PEG鏈.水(W)作為溶劑是顯含在系統(tǒng)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(shù)，因分子的種類而異.

模型上所有分子內(nèi)的勢能包括鍵的拉伸和角的扭轉(zhuǎn)都用彈簧作用勢來表示：

式中，ka，kb為彈性常數(shù)，r0、θ0分別為平衡位置和平衡角度.

1.2 模擬系統(tǒng)和條件

所有的模擬都采用Lammps軟件包[12]，在NPT系綜中進(jìn)行，系統(tǒng)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(gè)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(jī)分布狀態(tài)而形成.模擬中發(fā)現(xiàn)，隨著PEG鏈數(shù)目的變化，膠束的形狀會(huì)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(tuán)與疏水基團(tuán)的比例接近于1，因此，當(dāng)PEG鏈的濃度較高時(shí)，它能進(jìn)一步形成平面雙分子層結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)簡稱為共聚物膜.

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

2 結(jié)果與討論

2.1 膠束融合的模擬

當(dāng)2個(gè)膠束接近時(shí)，它們可能會(huì)發(fā)生融合現(xiàn)象.在這一過程中，2個(gè)膠束會(huì)先靠近以形成膠束的局部接觸.此時(shí)，接觸區(qū)域的2個(gè)膠束的某些組成共聚物鏈段會(huì)糾纏變形，形成半融合結(jié)構(gòu).最后，2個(gè)膠束會(huì)完全融合成一個(gè)膠束(見圖3).膠束的形狀會(huì)影響它們之間的融合過程.模擬發(fā)現(xiàn)，球形膠束除了可以與球形膠束發(fā)生融合外，還可以與柱狀膠束融合直接形成一個(gè)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(jìn)行融合，見圖4.這可能與不同形狀的膠束在接觸點(diǎn)附近的曲率特征不同有關(guān).

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(huì)發(fā)生融合(見圖5).我們發(fā)現(xiàn)膠束在與膜接觸后，膠束上PEG鏈段的親水部分會(huì)與膜上的親水頭部相互纏繞，吸引在一起，然后形成一個(gè)半融合的狀態(tài).最終，隨著PEG鏈的不斷運(yùn)動(dòng)，膠束最終會(huì)完全融合在共聚物膜中，形成一個(gè)穩(wěn)定的膜結(jié)構(gòu).

通過模擬，我們發(fā)現(xiàn)膠束與共聚物膜之間的距離(D)、組成膠束的聚合物的數(shù)目(N)等因素會(huì)強(qiáng)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(fā)生融合的可能性也隨著發(fā)生變化(見圖6).

對于由20個(gè)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(gè)關(guān)鍵因素.當(dāng)它們之間的初始距離很小時(shí)，膠束不會(huì)與膜發(fā)生融合；但隨著膠束與膜的距離適當(dāng)增加時(shí)，兩者發(fā)生融合反應(yīng)的可能性卻會(huì)隨之增加，見圖6(a).

隨著PEG鏈的數(shù)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(fā)生變化.在所研究的間隔范圍內(nèi)(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(fā)生融合現(xiàn)象，見圖6(b).

但當(dāng)PEG鏈的數(shù)目進(jìn)一步增加到100時(shí)，距離的影響又會(huì)再次改變.此時(shí)，只有當(dāng)膠束距離膜較近時(shí)，膠束才會(huì)與膜發(fā)生融合現(xiàn)象；當(dāng)膠束遠(yuǎn)離膜時(shí)，融合現(xiàn)象便不再發(fā)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(dāng)膠束與膜發(fā)生融合過程，能量則會(huì)發(fā)生顯著變化.模擬發(fā)現(xiàn)，從膠束與共聚物膜接觸開始，兩者的相互作用能量就會(huì)有明顯的變化，半融合結(jié)構(gòu)的形成也對應(yīng)有一個(gè)較小的能量壁壘；只有兩者完全融合后，能量才會(huì)保持不變.

這些結(jié)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(shí)有利于兩者的融合.但膠束與共聚物膜在融合時(shí)，兩者的相互作用還與組成膠束的聚合物鏈段的形變有關(guān).對于不同大小的膠束，共聚物的構(gòu)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(shù)目較少，結(jié)構(gòu)也更為松散，因此鏈段形變的影響程度也會(huì)更大，這可能是會(huì)阻礙兩者的進(jìn)一步融合的關(guān)鍵原因.結(jié)果還表明，控制膠束的大小可以對其藥物輸運(yùn)的效率產(chǎn)生重要的影響.

3 結(jié)語

我們采用分子動(dòng)力學(xué)方法對雙親性嵌段共聚物雙層膜與膠束的融合機(jī)制進(jìn)行研究.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膠束與共聚物膜之間的距離、組成膠束的聚合物的數(shù)目等因素會(huì)強(qiáng)烈影響兩者的融合.當(dāng)組成膠束的數(shù)目較少時(shí)，兩者之間的距離強(qiáng)烈地影響膜與膠束的融合：當(dāng)膠束離膜很近時(shí)，兩者不會(huì)發(fā)生作用.而適當(dāng)增加膠束與膜的距離時(shí)，膠束才會(huì)與膜發(fā)生融合現(xiàn)象.但隨著膠束中PEG鏈的數(shù)目增加，兩者的相互作用情況會(huì)隨之發(fā)生變化.此時(shí)，距離將不再是影響其融合的主要因素.在調(diào)查的距離范圍內(nèi)，膠束都會(huì)與膜發(fā)生融合.如果進(jìn)一步增加PEG鏈的數(shù)目，發(fā)現(xiàn)兩者之間距離的影響又會(huì)發(fā)生變化.在這種情況下，只有膠束距離膜較近時(shí)，膠束才會(huì)與膜發(fā)生融合現(xiàn)象.我們的結(jié)果不僅有助于深入理解真實(shí)細(xì)胞中的融合現(xiàn)象，還對納米尺度基因、藥物載體的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義.

參考文獻(xiàn):

[1] DISCHER D E, EISENBERG A.Polymer vesicles[J].Science, 2002, 297(5583): 967-973.

[2] LEBARD D N, LEVINE B G, DEVANE R, et al.Premicelles and monomer exchange in aqueous surfactant solutions above and below the critical micelle concentration[J].Chemical Physics Letters,2012,522:38-42.

[3] R?SLER A, VANDERMEULEN G W M, KLOK H A.Advanced drug delivery devices via self-assembly of amphiphilic block copolymers[J].Advancer drug delivery reviews,2012,64:270-279.

[4] MIYATA K, CHRISTIE R J,KATAOKA K.Polymeric micelles for mano-scale drug delivery[J].Reactive and Functional Polymers,2011,71(3):227-234.

[5] TORCHILIN V.Tumor delivery of macromolecular drugs based on the EPR effect[J].Advanced drug delivery reviews,2011,63(3):131-135.

[6] BAE Y, NISHIYAMA N, FUKUSHIMA S, et al.Preparation and biological characterization of polymeric micelle drug carriers with intracellular pH-triggered drug release property: tumor permeability, controlled subcellular drug distribution, and enhanced in vivo antitumor efficacy[J].Bioconjugate Chemistry, 2005, 16(1): 122-130.

[7] AYTON G S, VOTH G A.Systematic multiscale simulation of membrane protein systems[J].Current Opinion in Structural Biology, 2009, 19(2): 138-144.

[8] VARNIK F, BINDER K.Multiscale modeling of polymers at interfaces[J].International Journal of Materials Research, 2009, 100(11): 1494-1502.

[9] SHINODA W, DEVANE R, KLEIN M L.Multi-property fitting and parameterization of a coarse grained model for aqueous surfactants[J].Molecular Simulation, 2007, 33(1-2): 27-36.

[10] PANTANO D A, KLEIN M L, DISCHER D E, et al.Morphologies of charged diblock copolymers simulated with a neutral coarse-grained model[J].The Journal of Physical Chemistry B, 2011, 115(16): 4689-4695.

[11] PANTANO D A, MOORE P B, KLEIN M L, et al.Raft registration across bilayers in a molecularly detailed model[J].Soft Matter, 2011, 7(18): 8182-8191.

[12] PLIMPTON S.Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics[J].Journal of Computational Physics, 1995, 117(1): 1-19.