Science Advances：石墨烯纳米片在细胞双层磷脂膜间的输运机理

6月7日，清华大学化工系燕立唐课题组与中国科学院过程所魏炜课题组合作在《科学进展》(ScienceAdvances)发表文章《石墨烯纳米片在细胞膜夹层间的输运》(Transportofagraphenenanosheetsandwichedinsidecellmembranes)，该研究首次阐述了二维纳米片在磷脂双分子层间的输运机理和扩散动力学，为基于膜蛋白的靶向给药提供了新的途径。

随着生物医学科学的进步，运用药物载体将药物输送到靶向器官，并控制药物的释放速率已经变得越来越重要，因此迫切需要寻找具有良好生物相容性的药物载体材料。氧化石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，由于其较大的比表面积及较多的官能团，可以作为潜在的药物载体用于疾病的诊断和治疗。但是，囿于氧化石墨烯纳米片极小的尺度及其与细胞膜复杂的相互作用关系，氧化石墨烯在细胞膜上运输的详细动力学过程和潜在的分子机制仍知之甚少，这极大的限制了纳米载药技术的发展。

氧化石墨烯与细胞双层磷脂膜作用的状态、动力学路径及物理原理的模拟计算与理论分析

近年来，大量理论研究表明，质朴的石墨烯和氧化程度较低的氧化石墨烯会与细胞膜相互作用，形成一种独特的夹层结构，即氧化石墨烯会始终存在于磷脂双分子层的内部疏水区。氧化石墨烯在这种非常规生物纳米界面上的扩散行为显然不同于三维球形纳米粒子在细胞膜表面的输运动力学，因此研究氧化石墨烯在双层磷脂膜中间的扩散，一方面有利于进一步了解氧化石墨烯与细胞膜的相互作用机理，另一方面也能促进其在生物医学领域的发展，研究出更多新型的纳米医药技术上的应用。

此次，清华大学化工系燕立唐课题组与中国科学院过程所魏炜课题组等合作，首先从实验上证明了氧化石墨烯在双层磷脂膜中间形成独特的三明治状夹层结构。随后，基于模拟和理论研究，研究者发现随着氧化石墨烯表面氧化程度的提高，其在细胞膜间的扩散行为会发生从布朗运动到Lévy行走再到定向输运的转变。这种扩散行为转变的根本原因在于氧化石墨烯氧化程度和表面修饰物的改变会导致细胞膜表面形成四种不同的微孔状态。研究者进一步定量化了这些膜孔状态与氧化石墨烯与细胞膜间相互作用强度的关系，从而对Lévy扩散和定向输运的物理本质给出了深入的解释。同时，实验和理论结果都揭示了夹层结构的氧化石墨烯可以作为药物载体，实现对基于细胞膜蛋白的靶向药物递送效率的有效增强。该研究为探索新型二维纳米材料的生物医学应用提供了崭新的思路与指导。

大分子界面自组装的熵调控策略

清华大学化工系博士研究生陈鹏宇和中国科学院过程所岳华副研究员为本文并列第一作者，清华大学化工系长聘副教授燕立唐及中国科学院过程所研究员魏炜为该项研究共同通讯作者。清华大学为第一完成单位。西安科技大学翟啸波教授对冷冻电镜的重构提供了协助。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和清华大学人才启动基金等项目的资助。

近年来，燕立唐课题组致力于复杂大分子体系及其粒子多层次结构与统计力学行为的理论计算与模拟研究。发展了一系列新的计算模型和理论方法，促进了此类体系中所涉及的新概念、新方法、新结构以及新体系的建立和发展，为软凝聚态物理、材料科学和生物医学等相关研究领域提供创新的理论基础。相关工作系列发表在《美国化学学会·纳米》（ACSNano2018,12,9467-9475）；《纳米快报》（NanoLetters2014,14,6910-6916）等知名期刊上。近日，该研究团队在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）上发表《剪切下Janus粒子的塑晶-晶体转变》（PlasticCrystal-to-CrystalTransitionofJanusParticlesunderShear），系统研究了密堆积Janus粒子体系在剪切场存在时的结构演变及动力学行为。该研究团队还受邀在美国化学会旗下的《化学研究评论》（AccountsofChemicalResearch）期刊上发表综述论文《通过熵调控纳米粒子的界面组装》（TailoringInterfacialNanoparticleOrganizationthroughEntropy）。系统阐述了大分子界面自组装的熵调控策略，克服了熵增对应结构无序化的传统观念，为界面自组装的精准构筑和动态调控提供了新方法，也为开发界面结构可控的新型聚合物基纳米复合材料提供了新思路和理论指导。