（材料学专业论文）基于两性聚氨酯构建的生物膜模型体系自组装性质的研究.pdf

中文摘要 本论文以两性聚氨酯( a p u ) 为模型聚合物，构建了生物膜模型体系一一 十二烷基硫酸钠( s d s ) a p u 、脂质体a p u 复合体系。并通过动态光散射、紫 外分光光度计、荧光光谱及透射电镜等方法研究了复合体系的组装行为。 主要考察了向a p u 的盐酸水溶液中逐渐加入s d s 的盐酸溶液时，二者 间的相互作用。提出了a p u 与s d s 的组装模型，并考察了a p u 分子链上电 荷密度、a p u 浓度、p h 值、小分子盐以及少量的乙醇对复合体系组装行为 的影响。 研究表明，当向a p u 的赫酸溶液中加入阴离子表面活性齐o ( s d s ) 溶液时， s d s 与表面带正电荷的a p u 胶束间易发生静电相互作用、疏水性聚集及s d s 在a p u 胶束表面的有序组装。随着s d s 浓度的增大，复合体系发生由最初 澄清到产生沉淀，而后沉淀又溶解的一系列变化。s d s 在a p u 胶束表面聚 集的临界聚集浓度( c a c ) n 小于s d s 的临界胶束浓度( c m c ) 。只有s d s 的浓 度高于c a c 时，两胶柬间才能发生明显的相互作用。当s d s 达到一定浓度时， s d s a p u 问能形成的完善a p u 胶束外包有s d s 双分子层的复合胶束结构。 另外，本文对脂质体a p u 胶束及磷脂a p u 间的组装过程进行了初步的 研究。结果发现，a p u 胶束通过静电、疏水等与局部带电的磷脂双层膜能发 生吸附和融合等相互作用，形成“复合胶束”，使得脂质体的有序结构遭到 破坏，表现为紫外吸收峰的红移。a p u 胶束与脂质体间的复合行为与二者的 比例有很大关系，且与a p u 与磷脂分子间的组装不同。 关键词：两性聚氨酯十二烷基硫酸钠脂质体胶束自组装 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t w ok i n d so fb i o m e m b r a n em o d e ls y s t e m sw e r ee s t a b l i s h e d b a s e do n a m p h o t e r i cp o l y u r e t h a n e ( a p u ，p r e p a r e d i no u r l a b ) ，w h i c h w e r e s o d i u md o d e c y ls u l p h a t e ( s d s ) a p ua n dl i p o s o m e a p uc o m p l e xs y s t e m s t h e a s s e m b l y b e h a v i o ro ft h e c o m p l e xs y s t e m s w e r es t u d i e d b yd y n a m i cl i g h t s c a t t e r i n g ，u l t r a v i o l e ts p e c t r o p h o t o m e t e r ( u v ) ，f l u o r e s c e n ts p e c t r o p h o t o m e t e r a n d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) m e t h o d s ，e t c t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es d sa n da p um i c e l l e sw a ss t u d i e sb ya d d i n g s d si n t oa p us o l u t i o n s t h es e l f - a s s e m b l ym o d e lb e t w e e ns d sa n da p u m i c e l l ew a se s t a b l i s h e d t h ee f f e c t so nt h es e l f a s s e m b l yb e h a v i o rw e r es t u d i e d i n c l u d i n gt h ec o n t e n to ft h ei o n i cg r o u p so na p uc h a i n s ，t h ec o n c e n t r a t i o no f p o l y m e r s t h ev a l u eo fp h s a l t sa n ds i n a i la m o u n te t h a n 0 1 t h e s t u d y i n gr e s u l t si n d i c a t e dt h a t w h e ns d s w a sa d d e di n t oa p us o l u t i o n s e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o na n dh y d r o p h o b i ca s s e m b l yb e t w e e ns d sa n da p u m i c e l l e sw i t hp o s i t i v ec h a r g eo nt h es u r f a c e sa n do r d e r a s s e m b l yo fs d so na p u m i c e l l a rs u r f a c e so c c u r r e d a sar e s u l t t h ec o m p l e x s y s t e mo fs d s a p uc h a n g e d f r o mt h ei n i t i a lc l e a rt o p r e c i p i t a t i o n a n dt h e nt h ep r e c i p i t a t i o nw a sr e d i s p e r e d a n dt h e s y s t e mw a s c l e a r a g a i n t h er e s u l t s a l s oi n d i c a t e dt h a tt h ec r i t i c a i a g g r e g a t ec o n c e n t r a t i o “c a c ) o fs d s o na p um i c e l l e sw a sl o w e rt h a ni t sc r i t i c a l m i c e l l a rc o n c e n t r a t i o n ( c m c ) w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fs d sw a s l a r g ee n o u g h ， t h ec o m p l e xs y s t e m so fs d sa n da p uc o u l df o r mc o m p l e xm i c e l l e sw i t ha p u m i c e l l ee n c a p s u l a t e db vs d sd o u b l em o l e c u l e1 a y e r i n a d d i t i o n ，t h es e l f - a s s e m b l yb e h a v i o r o ft h e l i p o s o m e a p uc o m p l e x s y s t e mw a sa l s os t u d i e d t h es t u d y i n gr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ee l e c t r o s t a t i c i n t e r a c t i o na n dt h e h y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o np l a y e d a r t i m p o r t a n t r o l ei nt h e a d s o r p t i o n o rf u s i o nb e t w e e nt h ea p um i c e l l e sa n d1 0 c a l n e g a t i v ec h a r g e d l i p o s o m e s ，w h i c hl e dt o “c o m p l e xm i c e l l e s ”f o r m i n g t h es t r u c t u r eo fl i p o s o m e s w a sd e s t r o y e d ，w h e na p um i c e l l e sa b s o r d e da n df u s e dw i t hl i p o s o m e s t h i sw a s r e f l e c t e db yar e ds h i f ti nu v s p e c t r o g r a mo f t h ec o m p l e xs y s t e m t h ea s s e m b l y b e h a v i o ro ft h ec o m p l e xs y s t e ml a r g e l yd e p e n d e do na p u c o n c e n t r a t i o na n dw a s v e r yd i f f e r e n tf r o mp h o s p h a t i d y l c h d i n e ( p c ) a p uc o m p l e xs y s t e m k e y w o r d s ：a m p h o t e r i cp o l y u r e t h a n e ( a p u ) ，s o d i u md o d e c y ls u l p h a t e l i p o s o m e ，m i c e l l e ，s e l f - a s s e m b l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁壅盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：球世冬签字日期： d 。3 年 l 月a - 2 _ f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名繇丝铮 签字日期：凇年1 1 月觇日 社一 錾砌 第，章前言 第一章前言 生物膜实际上是由磷脂、膜蛋白等组成生物膜的各分子问形成的超分子 自组装结构。超分子( s u p e r m 0 1 e e u l e ) 自组装体系，可以将分子的流动性和有 序性结合起来，并在宏观水平上表现出良好的组织行为和功能，因此常用来 构建生物膜的模型体系。 由于两性聚电解质具有广泛的实际应用价值及与生物大分子( 如蛋白质) 结构的相似性，受到了人们的重视，尤其是聚电解质与表面活性剂问的自组 装复合行为及机理被广泛的研究，并取得了一定的成果。这些聚电解质和表 面活性剂间自组装复合行为为研究生物膜模型体系提供了一定的信息。但这 些研究多基于带单一电荷的线型聚电解质与其带相反电荷的表面活性荆问 的自组装复合行为，对两性聚电解质与表面活性剂间自组装复合行为的研究 还较少。 a p u 是本课题组自制的一种两性聚氨酯，其结构如下： 2c h i ?2 c h ， 27 一n h 。一0 _ c h i c c h 一0 - c 。旧n h c 一( o c h o h k 。- 。一嘲n h c - o c 1 h c 琏- o - c - n h c o o h c h , n ( c h 】) l a p u 是一种特殊的两性聚电解质，同时也是一种两亲性嵌段共聚物，由 疏水性的聚醚软段和含酸、碱基团的亲水性硬段组成，但其分子链上的电荷 密度比较低。疏水的环氧丙烷聚醚软段与带有一c o o h 及一c h 2 n ( c h 3 ) 2 的硬 段是无规排列的。 由于a p u 特殊的分子结构，其水分散液呈现出独特的性质。研究表明， a p u 大分子链上的一c h 2 n ( c h 3 ) 2 或一c o o h 基团在酸、碱性介质中能够离子 化，使带有这些离子化酸性或碱性基团的硬段具有亲水性，因此a p u 大分子 在酸、碱水溶液中能够白组装成纳米胶束。胶束表面离子基团问的静电斥力， 使得胶束在水介质中能稳定分散。这种聚集体在热力学上一般是稳定的。 从a p u 的分子结构上看，两亲性聚氨酯( a p u ) 与蛋白质具有较多的相似 之处，郎分子链上都有酸、碱基团和氨基甲酸酯键( 一n h c 0 0 1 。a p u 分子间 存在着生物大分子问的主要相互作用力如氢键、离子键及亲水疏水相互作 第一章前言 用，a p u 在水中能够自发地形成纳米粒子，可作为蛋白质的模型分子。 阴离子表面活性剂( 如十二烷基硫酸钠，s d s ) 在水溶液中形成的胶束， 具有类似的双亲结构和亲水头基的负电荷聚集，因此常用作膜的模拟剂：脂 质体是巾间包结着水溶液的封闭双层或多层结构，其结构与生物膜比较接 近，常作为生物膜的模型系统。 本文以a p u 胶束，s d s 及脂质体为基础，构建了s d s a p u 、脂质体a p u 复合体系，并通过光散射、透射电镜、紫外分光光度计、荧光光谱等手段来 研究复合体系的组装行为。希望能通过对这两个体系的组装行为的研究，在 定程度上获得生物膜膜脂与膜蛋白问的组装信息。 第二章文献综述 2 1 生物膜概述 第二章文献综述 广义的生物膜是指在生物体上看到的膜结构，现代生物化学中则指构成 细胞的膜。狭义的生物膜是指绌胞内的膜结构，它与腹膜和角膜等是由细胞 集合形成的上皮等的细胞性膜及与周围细胞的细胞壁以及基底膜有明显的 不同。 生物膜主要是由糖类、脂类、蛋白质等组装而成的一种薄膜结构，其厚 度约为7 - 1 0 n t o ，包括所有细胞都含有的细胞膜和真核细胞所特有的细胞器膜 【1 。许多生物膜是由表面带有负电荷的磷脂双分子层构成的闭合结构，膜的 双亲性和其表面亲水磷脂头基的负电荷是影响其表面化学反应的重要结构 特征。 构成生物膜的膜脂都是两亲性分子，是由个头部和两条尾巴组成，头 部相连处是亲水的甘油基团，尾部是疏水的脂肪酸链。脂质双分子层构成了 生物膜的基质。蛋白质等物质就嵌入在这种脂质双分子层内或附着在其表 面，通过与脂质的协同作用，完成生物膜的生理功能。 目前所普遍公认的描述生物膜的模型是“流动镶嵌模型”，该模型认为 磷脂双分子层所组成的生物膜内嵌入各种蛋白质，这种双分子层是由磷脂分 子的非极性尾部相对形成膜的内部结构，其极性头部向外形成膜的外部表面 结构，双分子层中每个磷脂分子可以自由的侧向运动，使生物膜具有流动性 和柔软性。生物膜中的蛋白质可以结合在双分子层的表面、埋入或贯穿整个 双分子层。改变磷脂的组成会影响生物膜的流动性，例如磷脂脂酰链中的不 饱和键的存在会降低膜脂分子间排列的有序性，但增加其流动性，而随着卵 磷脂，鞘磷脂的比值降低，流动性下降。膜脂的流动性主要影响膜蛋白的构象 与功能，当膜脂的流动性降低，嵌入的蛋白质暴露于水相的部分就会增加； 反之，膜蛋白将更深入膜脂双层中。另外嵌入生物膜的蛋白质需要一定量的 磷脂才能维持其构象，表现其活性。 生物膜是与细胞起源、生命本质密切相关的重要结构，它以界面的形式 把生命活动的各个区域划分开来，并保持和调节着各区内外环境，使各区内 第二章文献综述 生命活动得以e 常进行，是进行物质代谢、能量转换、神经传导、信息传递 等生理活动的场所。其各种功能是由膜脂、蛋白质、多糖等组成间通过精密 而完美的组装及协同作用完成的。因此深入研究生物膜的组装结构与功能性 的关系是非常重要的。生物膜能够使其中的生物大分子( 如蛋白质) 形成精密 而又完美的纳米组装结构( 介观结构) ，且根据功能的需要调节组装结构的形 态。这种完美的组装技术除了靠生物信息调节外，还要归因于膜蛋白与膜之 间的相互作用及环境条件的协同作用。可以说生物膜中膜脂的结构和性质为 膜蛋白的功能性组装提供了晟适宜的条件。因此，生物膜组装结构与功能性 引起了人们的浓厚兴趣。然而，生物膜的组成、结构和功能极为复杂，难于 直接研究其表面微观结构的变化及发生的协调作用，深入研究其组装结构与 功能性显然是十分困难的。在所谓膜模型体系中进行大量的生物研究，试图 从各种相对简单的模型体系的纯物理化学角度出发，来研究某些比较单纯但 相对深入的过程。通常用合成化学的方法集中研究具有固定化学成分的简单 膜模型体系，一方面可以研究由脂类化合物构成的膜基质的性质，另一方面 也可以进一步将蛋白或其它活性物质或基团引入到化学和物理条件都很清 楚的环境中，然后研究其特有的活性。 2 2 生物膜的自组装模型体系 理解生命首先要理解自组装，生物膜实际上是由组成分子间的超分子自 组装结构拉j 。例如：组成生物膜的种典型的磷脂一聚丙烯基磷酸盐，由 于结构上显示出了合适的亲水疏水平衡，当浓度高于临界浓度时，在适当的 缓冲液或水中，能自发地形成泡囊。g u y 【3 】等的研究表明原始的生物膜可能 是由聚丙烯基磷酸盐在水中自组装形成的。因此，深入了解分子间的超分子 自组装将为揭开生命的奥秘提供一定的帮助。 超分子( s u p e r m o l e e u l e ) 自组装体系可以将分子的流动性和有序性结合起 来，并在宏观水平上表现出良好的组织行为和功能，因此常被人们用来构建 生物膜的模型体系。目前，生物膜的模型体系般包括：多肽及其与多糖的 复合物、聚电解质( p e ) 及两性聚电解质( p a ) 、两亲性嵌段共聚物、带电荷胶 体粒子等膜蛋白模型分子与表面活性剂胶束、液晶或磷脂膜( 单分子层膜等) 组成的的复合体系。 第一章文献综述 2 2 1 表面活性剂与聚电解质复合体系 2 211 表面活性剂简介 表面活性剂又称界面活性剂，是能显著地改变通常液体表面张力或二相 问界面张力的物质，由亲水和疏水两部分组成。在溶液中趋向集中于该液体 和另一相的界面，形成分子薄膜。当其水溶液浓度大于临界胶束浓度( c r i t i c a l m i c e l l ec o n c e n t r a t i o n ，c m c ) 时，可自发聚集形成胶束。 某些阴离子表面活性剂( 如十二烷基硫酸钠，s d s ) 在水溶液中形成的胶 束，具有类似的双亲结构和亲水头基的负电荷聚集，因此常被用作膜模拟剂 【4 】。表面活性剂在特定的条件下也能形成闭合的层膜结构。例如，k d e r 在研 究甲苯磺酸十六烷基三甲铵( c t a b ) 与十二烷基苯磺酸钠( s d b s ) 混合体系时 发现了正负离子表面活性剂体系混合时能产生囊泡。王传忠在研究溴化一l - 烷 基三甲铵( d t a b ) 与n 一( 4 一癸氧基2 一羟基苄基) 甘氨酸( c l o h g ) 时，发现正负离 子表面活性剂混合体系中的正离子n 相互作用能形成囊泡1 5 】。由于这类体系 中形成的囊泡具有结构简单，稳定性好，容易制备等优点，因此具有十分重 要的应用价值，这种闭合双层膜也常用作模型体系来研究复杂的生物膜。 2 2 1 2 聚电解质与表面活性剂的相互作用机理 对于聚电解质与表面活性剂相互作用间的研究，起源于2 0 世纪4 0 年代 对蛋白质一表面活性剂体系性质的研究，但由于聚电解质与表面活性剂构成的 体系存在着微妙的相互作用，使得作用机理极其复杂，并且混合体系又具有 多种多样的结构与性能，因此直到2 0 世纪7 0 年代末期，才对聚电解质与表 面活性剂相互作用的形式、影响的因素以及它们的结构与相互作用的大小之 间的关系有了许多共同的认识。 表面活性剂与聚合物发生相互作用而形成复合物，开始形成复合物时的 表面活性剂浓度( 称临界聚集浓度c a c ，即聚合物与表面活性剂开始发生缔合 作用时表面活性剂的浓度) 小于表面活性剂的临界胶束浓度( c m c ) ，对于离子 型表面活性剂- 聚电解质体系，其c a c 远小于c m c 。s h i r a h a m a 等人6 1 采用电 泳等方法，对表面活性剂- 聚合物相互作用进行了深入的研究，并提出了串珠 模型，即表面活性剂分子以类似于胶束的聚集体形式吸附( 结合) 在聚合物分 子链上( 图2 - 1 ) 。当胶束与聚电解质结合时，胶束大小并术改变。后来，许多 研究者采用核磁共振、中子散射、和光散射等不同实验手段，研究了不同表 面活性剂聚合物体系的相互作用。均证实了这一模型。 籀二章文献综述 跨管霉 ；a y 图2 1 表面活性n 聚合物体系相互作用的模型 表面活性剂单体聚台物相互作用模型；表面活性剂胶柬聚合物相互作用模型 f i g2 1m o d e lo f t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns u r f a c t a n t sa n dp o l y m e r s ( a ) s u r f a c t a n t sm o l e c u l e p o l y m e r ss y s t e m ；( b ) s u r f a c t a n t sm i c e lj e s ，p o l y l n e r ss y s t e m 一般认为：中性聚合物与离子表面活性剂间相互结合的主要驱动力是疏 水作用力1 7 j ，当向聚合物水溶液中加入表面活性剂时，表面活性剂分子将优 先分布于聚合物线团区域而不是本体溶液中，因此在整体相的表面活性剂浓 度低于c m c 的条件下，聚合物线团区域的表面活性剂局部浓度就可以达到 通常的c m c 值，从而在c ：a c 时即可发生簇化作用。这簇化过程主要取决 于聚合物的类型，雨与聚合物的浓度关系不大。聚合物在簇的表面上与表面 活性剂发生疏水作用，导致了聚合物与表面活性剂间的结合。聚合物的链包 绕着表向活性剂的簇，其中- d , 部分聚合物链通过疏水作用与簇相结合，其 余部分呈环状突入水相。复合物的这种结构提高了聚合物链的流动性，削弱 了亲水基间的静电斥力，进一步降低了表面活性剂的疏水链与水接触的程 度，从而使体系的稳定性得到加强。如果聚电解质和表面活性剂离子所带电 荷相同，静电斥力的作用使得二者几乎不能发生缔合。如果聚电解质和表面 活性剂离子所带电荷相反，二者之间存在着强烈的相互作用，其c a c 通常要 比c m cd , j l 个数量级，促使二者相互作用的驱动力主要是静电力，而疏水 作用力仅占次要地位j 。 聚电解质表面活性剂聚集结构归纳起来有以下特点：表面活性剂沿聚电 解质链聚集成一定大小、形状和组成的胶束状的簇，簇沿聚电解质链无规分 布形成“串珠”状。聚电解质链处于簇内表面活性剂头基的界面，与此同时 聚电解质链发生卷曲。伴随表面活性剂在聚电解质链上成簇，聚电解质的有 效电荷密度下降以及表面活胜剂的疏水作用，聚电解质链将从伸展的构象态 逐渐向卷曲的构象态转变，其流体力学体积减小，因此聚电解质表面活性剂 稀溶液的比浓粘度随表面活性剂浓度的增加而减小。 22 1 3 聚电解质与表面活性剂相互作用的影响因素 影响聚电解质与表面活性剂相互作用的因素是多方面的，除了聚电解质 6 一 皤 第二章文献综述 ( 浓度、电荷密度和疏水性) 、表面活性剂( 浓度、电荷和亲水基的类型) 、溶液 的p h 以及氢键等因素之外，还包括： f a l 聚电解质的柔顺性 9 】：增加聚电解质链的刚性，则聚电解质链靠近胶 束的难度增大，导致聚电解质与胶束间的结合量下降，它体现了聚电解质以 适当的构象与表面活性剂相互作用的能力。对中性聚电解质来讲，其分子链 越柔顺，则相互作用的能力越强，但它与疏水性和电性相比，对相互作用的 影响最小，即：疏水性 电性 柔顺性。另外，反离子的种类，有机添加剂和 外加的其他表面活性剂等都是影响聚电解质与表面活性剂相互作用的重要 因素。 ( b ) 聚电解质线性电荷密度和表面活性剂疏水基链长【j0 。：增加聚电解 质的线性电荷密度或表面活性剂疏水基链长，则聚电解质与胶束的结合更 强，这是因为胶束与聚电解质络合的驱动力来自于静电吸引，这相互作用 导致静电能大大下降，同时结合在胶束和聚电解质上的反离子释放引起熵 增，两种效应均有利于络合物的形成，但当聚电解质的线性电荷密度降低或 表面活性剂疏水基链长缩短时，两种效应的贡献将减小。 ( c ) 无机盐：对于中性聚电解质与离子表面活性剂体系，加入无机盐可增 加二者之间的结合，对于聚电解质与带相反电荷的表面活性剂体系，加入的 无机电解质起到电荷屏蔽作用，则削弱了二者相互作用的程度。 ( d ) 温度：温度是影响聚电解质与表面活性剂相互作用的重要因素之一， 当将中性聚电解质升高温度接近浊点时，其疏水性增强，与表面活性剂作用 的能力也就提高。 ( e ) 聚电解质的分子量：聚环氧乙烷( p e o ) 十二烷基硫酸钠( s d s ) 体系， p e o 分子量在15 0 0 以下时，与表面活性剂几乎没有相互作用，分子量在4 0 0 0 以上时，二者之间的相互作用基本上与聚电解质分子量无关。 2 2 1 4 聚电解质与表面活性剂相互作用的研究进展 由于聚电解质与离子型表面活性剂问的相互作用能产生非同寻常的超 分子现象和性质，受到人们的广泛重视。聚电解质与表面活性剂分子删的复 合组装体系是高分子自组装研究领域的热点之一【1 2 。2 。并且随着染料增溶、 表面张力、c d 、n m r 、电导、电位滴定、光散射、原子力显微镜、荧光光 谱、核磁共振及电泳等多种实验、分析手段的利用，聚电解质与表面活性剂 的相互作用的研究愈来愈受到人们的关注，相关报道逐年增多，这有助于加 深对分子间相互作用和疏水聚集现象等的理论认识，并使得对表面活性剂 聚电解质问的聚集结构和结合过程有了更深入的认识。 第二章文献综述 聚电解质和表面活性剂分子间的相互作用研究，在许多模型体系的理论 研究上备受关注 2 ”。主要是由于聚电解质和表面活性剂间的相互作用与蛋白 质和形成生物膜基础的类脂膜间的相互作用极其相似，聚电解质与表面活性 剂体系在很多方面与生物膜的脂质体一蛋白质模型体系比较相似，并可看作生 物膜中蛋白质核酸相互作用的一种模式。所以，在一定程度上，能作为生物 过程的一种简单模型。对该类体系的研究有助于理解复杂生物过程中的相互 作用，并且通过对其深入研究，不仅能够加深对分子问相互作用和超分予组 装理沦的认识，还有助于理解生物膜的组装结构与功能性之问的关系，同时 还为寻找新颖的“软”材料提供新途径。 曹维孝等【2 2 j 在研究甲基丙烯酸一3 一磺酸丙酯钾盐( s p m s ) 一苯乙烯共聚物 ( s t ) 与c t a b 水溶液相互作用时，观察到了当c t a b 一s 0 3 k 在特定的摩尔比时， 溶液粘度出现极大值。并通过不同表面活性剂、不同浓度对体系粘度的影响 及荧光探针、光散射等方法证明粘度出现极大值与聚电解质、表面活性剂间 的相互作用、聚集及导致的疏水微区有关。漆宗能等【2 ”在线性聚丙烯酸 ( p a a ) 十六烷基三甲基氯化铵( c t m a ) 形成规整的介规相( m e s o p h a s e ) 聚电解 质一表面活性剂复合体系既观察到了热致液晶也观察到了溶致液晶。庞代文 口4 j 等在研究表面活性剂与d n a 间的相互作用时发现，阴离子、阳离子和非离 子表面活性剂均可通过疏水和静电作用与d n a 分子结合，并改变d n a 的状 态。阴离子表面活性剂与d n a 之间以静电排斥为主，也有部分疏水性结合。 而阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵与d n a 问既有疏水性作用，也有静电吸引。非离子表面活性剂与d n a 的结合较弱， 其主要是通过改变溶液的性质( 如粘度、极性和介电常数等) 影口i c g d n a 的构象， 表面活性剂疏水链的长短及极性头基的大小对作用过程也有定影响。可 见，蛋白质与表面活性剂相互作用的研究为了解蛋白质与类脂化合物或衙尔 蒙之类的小分子的结合提供了有价值的模型。 此外，聚电解质在相反i * f l 同电荷表面的吸附也是目前研究的热点【2 5 】。在 带有相反电荷的胶体粒子存在下，离子型表面活性剂和中性活性剂形成的混 合双层膜能够自发地形成具有确定面积的粘附区( 对带有相反电荷的胶粒有 吸附作用) 和排斥区( 对带有相反电荷的胶粒有排斥作用) ，在粘附区胶粒能自 组装成稳定的二维结晶，这种结晶能够象木筏飘在水中一样在双层膜上流 动。胶粒这自组装过程仅仅是通过胶粒在流体中的静电作用和界面结构实 现的，这一研究无疑为膜蛋白与磷脂双层膜的性质研究提供了有用的模型 【26 1 。 聚电解质与表面活性剂的相互作用研究愈来愈受到人们的关注，高分子 第二章文献综述 电解质与表面活性剂间的相互作用和过程可作为生物系统的研究模型，也可 作为生物模型用于研究蛋白质、多糖等天然高分子与小分子的相互作用，为 探索生物体的奥秘、揭示生物体内的反应和生物化学合成过程提供重要的理 论及实际依据。而且形成的复合物自，作为种新材料广泛应用于油漆与喷 涂、合成洗涤剂加工处理、美容产品制剂等工业领域，因此对高分子电解质 和表面活性刺相互作月的研究受到人们的极大重视【27 ”l 。 2 2 2 磷脂体系 2 2 2 1 磷脂简介 磷脂是细胞膜、线粒体膜、微粒体膜的结构物质和功能物质。膜的通透 性、突出的功能、受体等都与磷脂有关。磷脂为含有一个或多个磷酸的脂类， 水解后可得到脂肪酸、磷酸、胆碱及醇类，主要有磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇 胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇、神经鞘磷脂等几种。 生物膜模型和磷脂，聚合物体系的研究是目前研究的热点之一，而双层磷 脂膜通常被作为生物膜的模型系统来研究。构成生物膜的膜脂都是两亲性分 子( a m p h i p a t h i c ) ，由个头部和两条尾巴组成，头部相连处是亲水的甘油基 团，尾部是疏水的脂肪酸链。膜脂的共同性质即同时具有亲水的头部和疏水 的尾部这性质，使得它们在水溶性环境中能形成几种热力学上稳定的脂双 层结构。两亲性分子相互平行排列，与膜表面垂直，上下两排形成脂双层结 构，所有亲水性头部都朝向膜的内表面，疏水性的尾部在中间尾尾相连，呈 平面、球形脂双层结构等形态，如图2 2 所示。 圆2 - 2 膜脂在水相中的3 种结构示意图 f i g2 - 2t l l es t r u c t u r ed i a g r a m so fl i p i d ss e l f - a s s e m b l yi nw a t e r 第一二章文献综述 2 2 22 单分子层膜体系 单分子膜作为生物膜的模型体系，已经给生物学带来了深远的影响。两 亲性分子具有表面活性，溶解在水中的两亲性分子可以在界面上自动形成定 向吸附层并降低水的表面张力。当两亲性分子疏水基大到一定程度，其在水 中的浓度便小到可以忽略。这时，两亲性分子的表面定向层不可能再通过溶 液表面吸附的途径产生。单分子层膜包括由脂类化合物在气水表面上分布 形成的单分子层和将漂移在水面上的单分子层在固定表面压力下转移到固 体基板上累积而成的多分子膜，又称l b ( l a n g m u i r b l o d g e t t ) 膜，单层膜为生 物膜脂双层的一半，成膜分子可以作二度空间分子运动。 将两亲性物质溶解在铺展溶剂中制成铺展溶液，然后铺展在底液上从而 能获得单分子膜。研究单分子膜的方法较多，主要包括表面压面积曲线、表 面粘度、光谱等方法。单分子膜为蛋白质的研究提供了合适的手段，如p i e r r e 等人以单分子膜为工具，对蛋白质反应的热力学作了一些研究：b u i j s 3 2 1 研究 了人体荷尔蒙自组装膜的形成及其吸附的动力学，并将其在不同基质上的吸 附作了一些比较。g u e m o u r i 3 3 】对蛋白质组装时的光学性质进行了考察；张恒 建等【3 4 1 研究了磷脂和蛋白质分子在界面上的相互作用与界面上蛋自质分子 构象变化。 2 2 2 3 平面双层脂膜体系 平面双分子膜( b i l a y e rl i p i dm e m b r a n e ，b l m ) 包括跨孔双层脂膜或黑色 脂膜( b l m ) 和以固体为支撑物的支撑双分子膜。双层脂膜与刚性的l b 膜不 同，b l m 是种类似液态的动态结构，处于亚稳态，这种双层结构源于类脂 分子的性质。类脂分子同时具有亲水的甘油脂头部和疏水的脂肪酸链尾部。 因而当类脂分子进入水相中时，便自组装成双层结构。 b l m 结构简单，成分易于控制，电性质容易检测，灵敏度高，膜表面的 电性质是生物膜的重要特征之一。固态载体支承的双层膜( s o l i ds u p p o r t e d b i l a y e rm e m b r a n e ，s - b l m ) 可分为平面支承双层膜系统和球面支承双层膜系 统。固态载体可以用硅片、石英片、石墨、云母等构成平面支承；用玻璃珠、 硅珠等构成球面支承。所用固体表面可先进行化学处理，使其具有亲水性或 疏水性，然后进行双层膜的铺展，其优越性在于所载双层膜的组分、分子密 度及取向等都可得到严格的控制，样品的均匀性范围可达到宏观尺度，b l m 膜制备方法比较容易、结构稳定、寿命较长。 两亲性分子自组装形成的平面双分子膜可以作为生物膜研究的合适模 型，用来揭示生物膜的许多分子机理，例如：离子感应、物质传递、门控通 第二章文献综述 道、抗体抗原结合、信号传导、能量转换等，其中由载体支承的类j l r 双) = d 膜 系统f s b l m ) 有较强的稳定性，成为近年来人们研究的重点。例如1 , g z n - 酞菁 组装到s - b l m e o ，在光照的条件下，能产生电压和电流，而在钢一锡氧化物 玻璃( r r o ) 载体上形成的s - b l m ，当其中结合有c 6 0 分子时，光诱导电子能穿 过膜 3 5 1 。此外，t i e n 等 3 6 1 研究发现，含有c 6 0 的s - b l m 是一种良好的电子载 体或介质，这种s b l m 可作为电化学传感器或分子电子装置。这些呈现独特 光电性质的s - b l m 为研究生物膜的光电性和动力学等性质提供了合适的模 型。 一些s 。b l m 体系的通透性研究结果也为研究生物膜的物质传递提供了 有用的信息。将六种冠醚组装n s b l m 中，循环伏安法研究结果表明，当将 二茂铁组装到这种s - b l m ，不仅可以明显改善膜的光电性质，还能显著增加 亚铁离子的通透性。l i 等【37 1 在研究莫能星( m o n e n s i n ) 和磷脂烷烃硫醇在金电 极上形成的s - b l m 的离子选择通透性时发现，莫能星能显著提高s b l m 的离 子选择性。k a r a b a l i e v 3 8 1 研究了2 甲氧基1 0 - f 3 二甲氨基2 甲基丙基1 吩噻 嗪( l e v o m e r p r o m a z i z e ) j 猖 类在玻璃碳极上组装形成的s b l m ，发现这种化合 物在溶液中呈现出独特的自组装性，它能插到膜中，不但增加了s - b l m 的电 活性还增加了k 3 f e ( c n 6 ) 】分子的渗透性，这对理解生物膜的离子转运机理有 一定的启迪。 22 2 4 脂质体体系 脂质体是磷脂在一定条件下在水中形成的由脂质双分子层组成的内部 为水相的闭合囊泡。在推动生物膜的研究进展中，它作为模型系统起着非常 重要的作用，能用于研究膜蛋白质的性质和功能、膜脂和膜蛋白的相互关系 及膜的电化学性质。脂质体的研究当前十分活跃。结构决定性质，性质又决 定它的应用。脂质体的医药应用研究主要集中在药物载体、药物包结和膜模 拟生物膜方面。此外还有如何在体外培养中将基因和其它物质向细胞内传递 等方面的研究。脂质体可以分为单层小泡囊( s u v ) 、单层大泡囊( l u v ) 和多层 大泡囊( m u v ) ，都是包结着水室的封闭双层结构，是最接近于细胞的模型。 脂质体适用于膜渗透的测量，与具有活性的膜蛋白的结合、表面识别和膜反 应动力学等的研究。脂质体作为药物载体实现靶向给药已经引起人们的重 视。由于天然膜结构的复杂性和不稳定性给生物膜的研究带来极大困难，因 此脂质体模拟生物膜的研究备受人门重视，研究者试图通过研究脂质体与天 然膜的相似性，模拟生物膜的某些功能和特性。 磷脂等两亲性物质在特定条件下能形成脂质体，这种简单而又稳定的闭 第二章文献综述 合双层膜常用作模型体系来研究复杂的生物膜。c a s t e l l i l 39 j 在研究两种结构相 似的物质f 类胡萝h 素和叶黄素) 在脂质体中自组装结构时，发现物质的结构 与膜的厚度存在一定的联系。h a f e z 【40 】研究发现胆甾醇半丁二酸在碱性或中 性水溶液中能自组装成闭合的脂双层结构，当与二油酰基磷酸乙醇胺混合时 能形成对p h 值敏感的促融泡囊，这种p h 值值敏感性是由相转变引起的。 a p e l 【4 1 l 研究了短链单羧酸的性质，短链单羧酸是一种双头基双亲性分子 ( b o l a a m p h i p h l e ) ，单羧酸醇在适当的条件下在水介质中能形成稳定的双层 膜，当电离的或中性酸官能团出现时，形成具有r c 0 0 h o o c r 氢键网的 稳定双层膜，这为验证生物膜中稳定疏水作用的限制和原始生物膜的形成提 供了合适的模型。 聚合物脂质体复合体系也常用来模拟解析复杂的生物膜。e m d a d u l ( 4 2 1 发现组装到由多种脂类形成的脂质体中的聚乙二醇( p e g l ，能够诱导双层膜 的融合，这种体系可以用来模拟蛋白质等参与膜融合的过程。k o s t a r e l o s 4 3 1 根据c h 3 ( p e g ) 2 0 0 0 c c ( c h 3 ) 3 的疏水相互作用，把c h 3 ( p e g ) 2 0 0 0 c c ( c h 3 ) 3 组装 到脂质体中，形成吸附聚合物的立体稳定的脂质体并用来模拟生物膜的融合 过程。p o r c a r1 4 4 ，4 刮根据分配和吸附模型，研究了聚二乙烯基吡啶和聚四乙烯 基吡啶在脂质体上受p h 值、温度、离子强度等因素的影响而发生的结构变 化，这对了解生物膜的结构随外界条件的变化有一定的帮助。 聚电解质吸附于脂质体上也被广泛的研究，此体系可以用来模拟聚合物 吸附于细胞表面等行为【4 6 。4 ”。研究结果表明：吸附聚合物能部分嵌入到磷脂双 层膜中。聚合物脂质体相互作用形成的超分子聚集体被用作细胞骨架、膜渗 透的控制等。聚电解质脂质体在生物技术及生物化学领域也有很广泛的应 用。 综上所述，脂质体的应用研究是当前十分活跃的领域。尤其是通过脂质 体实现靶向给药，包结药物以及模拟生物膜，有可能使人类对于癌症和艾滋 病的治疗取得突破性的进展，使我们对于人体内生化反应，生理过程有更深 刻的认识，将为人类的健康做出巨大贡献。 2 2 2 5 液晶体系 生物膜具有脂质双亲性螺旋结构，呈多种形态。研究表明生物膜确实不 是普通流体，而是液晶。有关生物膜较为前沿的理论是液晶生物膜模型理论， 它可以解释生命科学中许多现象，例如，生物膜的融合、生物膜上的蛋白质 的奇异扩散等。尤其是以胆甾相液晶相似所建立的手性分子生物膜理论对生 物手性分子的自组装螺旋结构给出了合理的解释。 第二章文献综述 类似于一替完整的膜，t ir 川被薄层的水分隔的非生物体系层状液晶体系 也为研究， 物膜与膜蛋自相互作用、局部歃陷和相变提供了有用的】| j 模型系 统1 4 8 】。最近，聚合物胶体粒予或胶束在层状磷脂相或液晶连续相中的自绢堤 研究乜耿得了晕要的结粜。w a r r i n e r 等人1 4 引研究发现，胶体粒子或聚合物胶 束在层状磷脂拍或月h 澍型液品连续柏中，能够通过聚合物与磷脂或液晶分 蚓的特殊相互作用( 非共价键) 或仪仪通过物理作用形成以胶特为结点的稳定 的物理交联网状液晶体，胶粒作为层状液晶的缺陷，起到增大液晶弹性模最、 调节液品流变r l ：的作用。这种胶粒存在下的液晶体系与蛋白质镶嵌的磷脂双 层结构有相似之处。l o u d e t 等p ”】发现，在连续的向列型液品相中，聚合物胶 束与液晶问具有偶极弹性相互作用，导致胶束能够沿着液晶排列方向自组装 成单分敞的、高度柯序的线形的胶束链，链与链删相f t 平行地排列在液品体 系中并贯穿整个液晶相，胶束键并不聚集。这些研究结果表明液晶或磷脂与 聚合物胶粒的相界面性质及相互作用能够调节胶粒的存在形式，既可以使粒 子闹定在液晶柏m 络中，也可以形成胶柬链穿过整个液晶柏。液品树刈其中 的聚合物胶粒( 束) 有包裹和形成通道的可能性，这为研究，上物膜通道的形成 机理提供了新的途径。 2 2 2 ，6 聚合物大分子组装体系在生物膜研究中的应用 聚合物大分子自组装研究中成果最为突出的是高分予有序自纽装超薄 膜的制备，主要集中于两亲性嵌段共聚物聚电解质胶体粒子、两亲惚小分子 及液晶体系的有序币层和多层纳米薄膜的研究。高分子超薄膜的研究在生物 学中有重要作剧，例如，两亲性嵌段聚物存水溶液中能自发地形成有序的 纳水层j 队薄膜，旱现出与q i 物j j j 相似的渗透r i ：、稳定。h 、机械性