（物理化学专业论文）磷脂囊泡和非离子囊泡的生成与融合.pdf

甘盈盈：磷脂囊泡和1 f 离子囊泡的生成与融合 中文摘要 1 磷脂囊泡的生成 运用影像分析、负染电镜( n s t e m ) 、动态光散色( d l s ) 、原子力显微镜( a f m ) 方法研究蛋黄卵磷脂囊泡，囊泡平均粒径大小约为2 0 0i l i l l 。考察了卵磷脂囊泡受 卵磷脂浓度、超声、盐、p h 、乙醇及氨基酸的影响。卵磷脂囊泡粒径随卵磷脂浓 度的增大而增大；超声后囊泡粒径减小；加入盐后，更易生成囊泡，但当盐的浓 度达到o 0 4m o 儿时，卵磷脂囊泡被破坏；p h 对卵磷脂囊泡影响较小；乙醇对囊 泡具有破坏作用；囊泡体系中加入乙醇后，低浓度囊泡被破坏，高浓度囊泡的粒 径分布较窄；氨基酸的加入使卵磷脂囊泡的粒径增大。运用流变学的方法，研究 了磷脂囊泡的粘度、粘弹性等性质。磷脂囊泡体系是牛顿流体，粘弹性很小，但 在低频区仍具有一定的线性粘弹性。 2 s p a n8 0 p e g4 0 0 h 2 0 非离子囊泡的生成 对s p a l l8 0 p e g4 0 0 h 2 0 这种高稳定性的非离子囊泡的性质进行系统研究。采 用原子力显微镜观察其形貌，动态光散色获得其粒径大小。考察了p e g4 0 0 含量、 水含量、p h 及氨基酸对非离子囊泡的影响。体系吸光度随溶液中表面活性剂浓度 的增大而不断增大。由于s p a l l8 0 与p e g4 0 0 的缠绕结构，可使得非离子囊泡曾现 荧光，并且其荧光强度随表面活性剂浓度的增大而增大。随p e g4 0 0 浓度的增加， 囊泡的粒径先缓慢下降，而后急剧减小。随水含量的增大，囊泡的数量在不断减 小。p h 在5 7 范围内，随p h 的增大，囊泡的数量也不断减少。囊泡溶液中加入 氨基酸后，转变为囊泡与微球的共存体。运用流变学的方法，研究s p a i l8 0 p e g4 0 0 h 2 0 非离子囊泡的粘度、粘弹性等性质，考虑了水含量、p e g4 0 0 含量、盐浓度及 氨基酸对囊泡粘度和粘弹性的影响性。囊泡溶液为牛顿流体。随水含量增大，非 离子囊泡体系的粘度逐渐减小。n a c l 的加入，使得囊泡溶液粘度先下降后上升。 2 扬州人学硕十学位论文 随p e g4 0 0 含量增加，囊泡的粘度逐渐增大。氨基酸的加入，体系的粘度略有增 大。粘弹性很小，但在低频区仍具有一定的线性粘弹性。 3 非离子囊泡及磷脂囊泡的融合行为研究 在正常实验条件下，通过影像分析技术直接观察并记录下s p a n8 0 p e g4 0 0 h 2 0 非离子囊泡及磷脂囊泡的动态融合过程。实验结果发现，磷脂囊泡比非离子 囊泡的融合速度快，s p a j l8 0 p e g4 0 0 h 2 0 非离子囊泡的膜融合过程约为2m i n ， 而磷脂囊泡的膜融合过程在一分钟内即可结束。提出了囊泡经历了膜的靠近、接 触、半融合、孔形成、孔扩大等过程的膜融合的机理。计算了囊泡在融合过程中 的平均表面积变化。 甘盈盈：磷脂囊泡和北离子囊泡的生成与融合 3 f o r m a t i o na n df i u s i o no f p h o s p h o l i p i d v e s i c l ea n d n 1 0 s 0 m e a b s t r a c t 1 s t u d yo nt h ef o r m a t i o no fp h o s p h o l i p i dv e s i c l e p h o s p h o l i p i d v e s i c l ei so b s e r v e d b y t l l em e t h o d so fi m a g i n g a l l a l y s i s ， n e g a t i v e - s t a j n i n g 记a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( n s - t e m ) a n da t o m i c f o r c e m i c r o s c o p e ( a f m ) ，w h o s ep a n i c l es i z eo fv e s i c l ei sa b o u t2 0 0n m s o m ef a t o r st h a t e 妇f e c tt l l ep h o s p h o l i p i dv e s i c l ei sr e s e a r c h e ds u c ha st l l ec o n c e n t r a t i o no fl e c i t h i n ， s o n i c a t e ，s a l t ，p h ，e t h 觚o la n d 锄i n oa c i d t h es i z eo fv e s i c l ei n c r e a s e sw i t l li n c r e a s i n g t l l ec o n c e m r a t i o no fl e c i t h i nb u td e c r e a s e sa f t e rs o l l i c a t i n g v e s i c l ei sp r e p a r e de a s i l yb y a d d i n gn a c l ，b u tp h o s p h o l i p i dv e s i c l ei sd e s 仃o y e dw h e nt h es a l tc o n c e n t r a t i o ni s0 0 4 m o 儿a n dp hi m p a c t sl e s so nt h el e c i t m nv e s i c l e e t l l a n o lh a sad e t r i m e n t a le f | f e c to n t h ev e s i c l e t h ev e s i c l ei sd e s t r o y e dw h e nm ec o n c e n 臼? a t i o no fp h o s p h 0 1 i p i di ss m a l l ， a i l dt h es i z ed i s t r i b u t i o nn a r r o w e d 、h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o l i p i d si sl a r g e b u t t h es i z ed i s t r i b u t i o nn a r r o w e d 山1 dt h es i z eo fv e s i c l e si n c r e a s e sb ya d d i n g 锄i n oa c i d p h o s p h o l i p i dv e s i c l ei sn e 叭o n i a l ll i q u i d t h o u 曲i t sv i s c o e l a s t i c i t i ei sv e 巧s m a l l ，i th a s c e r t a i n1 i n e a rv i s c o e l a s t i c i t i e si nt h el o w 氐q u e n c yr e g i o n 2 s t u d yo nf 0 肌a t i o no fs p a i l8 卯e g4 0 0 h 2 01 1 i o s o m e t h ep r o p e n i e so fh i g l l l ys t a b l ei l i o s o m ei ns p a n8 0 p e g4 0 0 h 2 0s y s t e ma r e 觚h e rs y s t e m i cr e s e a r c h e d n l em o 印h o i o g yo fv e s i c l ei so b s e e db yu s eo fa t o m i c f o r c em i c r o s c o p e ，a n dt h ep a r t i c l es i z ei sm e a s u r e dw i md y n a n l i c1 i g h ts c a t t e r e d ni s r e s e a r c h e dt l l a tt h ee 丘宅c t so n 血o s o m eo fm ec o n c e n t r a t i o no fp e g4 0 0a 1 1 dw a t e r ，p h ， a m i n oa c i d t h ea b s o r b a i l c eo fn i o s o m ei n c r e 2 u s e s 诹也i n c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no f s u r f a c t 锄t s i n c et h ew i n d i n gs t r u c t u r eo fs p a n8 0a n dp e g4 0 0m a k e st h ep r e s e n c eo f 4扬州人学硕+ 学位论文 f l u o r e s c e n c e ，t h ei n t e n s 时o fn u o r e s c e n c ei n c r e a s e sw i t ha d d i n gt h e n c e n 臼a t i o no f s u 矗a c t a n t s t h es i z eo f1 1 i o s o m ed e c r e a s ef i r s ts l o w l ya 1 1 dt h e nh a ss h a 印d e c l i n ew i t h i n c r e a s i n gt h ep e g 4 0 0c o n t e n t a n d 也en 啪b e ro fv e s i c l e sd e e r e a s e sg r a d u a l l yw i t l l i n c r e a s i n gw a t e rc o n t e n t i nt h er a n g eo f5 - 7 ，l en u m b e ro fv e s i c l e sd e c r e 2 l s e s 州t hp h i n c r e a s e i n g t h e r ei st h ec o e x i s t e n c eo fv e s i c l e s 锄dm i c r o s p h e r e s 世e rt h ea d d i t i o no f a i n i n oa c i d b yt h ev i e wo fv i s c o s 竹a n dv i s c o e l a s t i c i 劬r h e o l o g i c a lp r o p e n i e so fs p a i l 8 0 伊e g4 0 0 h 2 01 1 i o s o m ea r es t l l d i e d s p a i l8 0 p e g4 0 0 h 2 0n i o s o m ei sn e 叭o n i a n l i q u i d t h ef a c t o r st h a te f f e c to nv e s i c l es u c ha u sv i s c o s i 够o fw a t e rc o n t e n t ，p e g4 0 0 c o n t e n t ，t h ec o n c e n t m t i o no fs a l ta l l d 跚i r l oa c i da r ec o n s i d e r e da n dt h ev i s c o e l a s t i c i t y i sr e s e a r c h e dt h r o u 曲o s c i l l a t i o nt e s t t h ev i s c o s i 巧o fn i o s o m ed e c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n gw a t e rc o m e m t h ea d d i t i o no fn a c lm a k e st l l ev i s c o s i 够o f m o s o m eh a v ea n a s c e n ta 髓rai n i t i a ld e c l i n e 仃e n d 肌l e np e g4 0 0c o n t e n ti si n c r e a l s e d ，t h ev i s c o s i t ) ro f n i o s o m ei n c r e a s e s 孕a d u a l l y a n dt h ev i s c o s i t ) ri n c r e a s e ss l i g h t l yb ya d d i n ga m i n oa c i d t h o u g hi t sv i s c o e i a s t i c i t i ei sv e r ys m a l l ，i th a sc e r t a i nl i n e a rv i s c o e l a s t i c i t i e si nt h e1 0 w f r e q u e n c yr e g i o n 3 s t u d yo nt h eb e h a v i o ro fv e s i c l em s i o no f i l i o s o m ea n dp h o s p h o l i p i dv e s i c l e t h ed y n 锄i cm s i o no fs p a n8 0 p e g4 0 0 h 2 0i l i o s o m es y s t e ma l l dp h o s p h o l i p i d v e s i c l e si so b s e r v e da i l dr e c o r d e db yu s eo f 妇a g i n ga 1 1 a j y s i st e c h n i q u e si nn o 彻a l c o n d i t i o n a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h er a t eo ff u s i o no fp h o s p h o l i p i dv e s i c l e si sf a s t e r t h a ns p a n8 0 p e g4 0 0 h 2 0m o s o m e t h e 血s i o np r o c e s so fs p a i l8 0 p e g4 0 0 h 2 0 m o s o m ec a l ll a s ta b o u t 2m i n ，b u t 岫to fp h o s p h o i i p i dv e s i c l e se n d sw i t h i no n em i n m e t h em e m b r a n em s i o nm e c h a i l i s mi sp r o p o s e dt h a tt h ep r o c e s so fv e s i c l e 如s i o n o c c u l l r e dt h r o u 曲c l o s i n g ，c o n t a c t ，s e m i - 血s i o n ，p o r ef o 咖a t i o n ，p o r ee x p a n s i o no f v e s i c l em e m b r a n e t h e n 也ec h a i l g eo fg i b b sf r e ee n e r g yi nn i o s o n l ea 1 1 dp h o s p h o l i p i d s v e s i c l es y s t e mi sc a l c u l a t e d 8 8扬州人学硕十学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：齿盈盈 签字日期：矽孵6 月上f 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学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， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：音盈盈导师签名： 签字日期：枷口7 年多月21 日签字日期：年月 日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 甘盈盈：磷脂囊泡和1 离子囊泡的生成与融合 5 第一章序言 1 1 表面活性剂分子有序组合体 表面活性剂分子是由两部分构成，一部分是非极性的疏水基( h y d r o p h o b i c 伊o u p ) ，另一部分是极性的亲水基( h y d r o p m l i cg r o u p ) 。表面活性剂的两亲结构 ( a i r l p h i p h i l i c ) 决定了它的两个重要特性：一是在各种界面上的定位吸附，另一个是 在溶液内部形成胶束【l 】。表面活性剂分子的疏水部分一般是由烃基，特别是长链烃 基构成，亲水部分的原子团则种类繁多。根据表面活性剂亲水基的离子类型，可 以将表面活性剂分为离子型和非离子型表面活性剂，其中离子型表面活性剂又可 以分为阳离子型、阴离子型和两性离子型表面活性剂。 表面活性剂能大大降低溶剂的表( 界) 面张力，改变体系的界面组成和结构，产 生润湿、乳化、洗涤、分散、催化、增溶助溶、防腐蚀、抗静电等一系列作用， 因此其在r 用化工、石油开采、食品工业、生物工程、环境保护、材料科学等领 域具有十分广泛的应用0 1 。 在一定的浓度和温度等条件下，表面活性剂分子可自发形成各种分子有序组合 体，上述过程被成为表面活性剂“自组装”行为【4 】，它们在日用化学、材料科学、农 业科学、医药学、生物工程等领域1 】有极其重要的作用，且与生命科学密切相关， 已成为研究生命奥秘和发展仿生技术极有价值的体系。两亲分子的有序化组合是 构成生命基本结构单元的基础，也是目前制备功能性材料或实现某些化学物质的 功能化而仰赖的一种重要手段【1 2 】。表面活性剂分子有序组合体包括胶束( m i c e l l e ) 、 微乳液( m i c r o e m u l s i o n ) 、液晶( 1 i q u i d c 巧s t a l ) 、囊泡( v e s i c l e ) 等。 1 1 1 胶束 胶束( m i c e l l e ) 是表面活性剂在溶液中形成的最简单的聚集体，胶束可呈球状、 椭球状、扁球状、棒状、层状等不同形态。胶束开始形成的浓度称为临界胶束浓 6扬州人学硕+ 学位论文 度( c r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t 饿i o n ，c m c ) 。在c m c 前后，表面活性剂溶液的许多物理 化学性质在此发生突变( 如表面张力、电导率、浊度、光散射强度等) ，可利用这些 性质测定表面活性剂的临界胶束浓度【1 3 16 1 。表面活性剂临界胶束浓度是一段较窄 的浓度范围。般而言，随着胶束形成而发生突变的溶液性质都可以用来测定溶 液的c m c 。常用的方法有表面张力法、电导法、循环伏安法、光散射法、光谱法等 【1 7 。2 3 1 。胶束的大小、结构和性质及其应用常常受表面活性剂的结构与浓度、添加 剂的结构、p h 、温度等因素的影响2 4 之7 1 。 1 1 2 微乳液 微乳液通常是由表面活性剂、助表面活性剂、油、水或盐水等组分在合适配 比下自发形成的热力学稳定、均匀透明、各相同性的、低粘度的分散体系f 2 7 。0 1 。 表面活性剂在油中能形成反胶束，加于反胶束溶液的水进入反胶束内，先与表面 活性剂极性基团结合，以水合的形式存在，随着溶水量的增加形成微水相，可以 形成反相微乳液【3 i - 3 2 1 。 微乳液最明显的特点是由于分散相尺寸小使得微乳液拥有很大的界面面积， 由于微乳液具有较大的表面自由能和较低的表面张力，所以微乳液具有较好的界 面性能，如吸附性能、传热性能、传质性能等。三组分或四组分微乳液的相行为 已得到了广泛研究3 3 。6 1 ，其影响因素主要包括：极性溶剂、非极性溶剂、两亲物 质及添加剂( 通常是电解质) 的类型、温度、压力掣3 7 1 。 微乳液在r 用化工、石油开采、纳米材料、化学催化、生物医药、有机电化 学合成等领域有广泛而重要的应用3 8 躬】。如利用其表面活性特性研制化妆品、清 洁剂等日化用品：利用其超低界面张力进行三次采油，增加原油采收率：利用微 乳液液滴尺寸的限定性来制备纳米粒子；利用其具有均匀、热力学稳定、使用方 便等优点制备微乳液型药剂【4 4 4 5 】等。 1 1 3 溶致液晶 液晶( 1 i q u i dc r y s t a l ) 的形成主要依赖于双亲分子间的相互作用，极性基团间的静 电力和疏水基团间的范德华力。当双亲化合物的固体与水混合时，在水分子的作 甘盈盈：磷脂囊泡和非离子囊泡的生成与融合 7 用下，水浸入固体晶格中，分布在亲水头基的双层之间，形成夹心结构。溶剂的 浸入，破坏了晶体的取向有序性，使得其具有液体的流动性随着水的不断加入， 可以转变为不同的液晶态。液晶分两大类，即热致液晶和溶致液晶，热致液晶的 结构和性质决定于体系的温度，而溶致液晶则取决于溶质分子与溶剂分子间的特 殊相互作用。几乎所有的表面活性剂液晶都是溶致液晶【4 6 】，常见的简单表面活性 剂水体系中实际只有三种【4 7 】：层状液晶、六角状液晶和立方状液晶。 表面活性剂溶致液晶己在石油开采、催化、化妆品、有机合成等方面取得了 广泛的应用，特别是在生物化学和仿生学方面具有特殊的意义【3 4 1 。人们利用液晶 体系模拟生物组织【3 5 1 ，研究其信息能量传递及物质运输；表面活性剂与水及有机 物形成的反胶束和液晶是研究细胞微环境和酶促反应的重要手段，已有上百种酶 的结构和活性据此得到了研究。 1 1 4 囊泡 脂质体是人类最先发现的囊泡体系。s t o e c k e n i u s 在1 9 5 9 年发现磷脂在水中溶 胀会形成多层结构。1 9 6 5 年英国学者b a n 曲猢【4 8 】等用超声波的手段将干磷脂分 散于水中制备得到了多室脂质体，并证明每层均为双分子脂质膜且被水隔开，其 厚度约4m n 这标志着人工制备脂质体、囊泡研究的开始。1 9 7 7 年h l i l i t a k e 等h 9 】 发现由合成的表面活性剂双十二烷基二甲基溴化铵( d d a b ) 经过超声处理也可以 得到闭合双层膜结构。为了与天然磷脂或其衍生物形成的脂质体区别起见，将这 些人工合成表面活性剂形成的缔合结构称为表面活性剂囊泡，或者简称囊泡。表 面活性剂囊泡的出现对于细胞膜模拟的研究可以说具有划时代的意义，从此形成 了脂质体和囊泡两个研究方向。 1 4 1 1 囊泡结构 囊泡可以认为是个圆形的球壳，( 图1 1 为囊泡的半切面图) ，具有几百到几千 埃的直径和5 0 埃左右的壁厚，每个典型的囊泡含有8 0 0 0 0 到1 0 0 0 0 0 个两亲分子。 扬州大学硕士学位论文 幽1 1 曩泡的半切面圈 囊泡的双分子膜具有以下特征：囊泡的双分子膜的厚度仅为5 0 埃；在一段时 间内囊泡是稳定的，可以用凝胶色谱柱和离心方法进行分离；对于水溶性化合物， 双分子膜可以将其有效地分离开，而水可以自由穿透过双层膜；疏水性化合物可 溶解在囊泡的疏水双分子膜中；在2 0 - 5 0 之间存在着相对平衡。 1 1 4 2 囊泡制备 n i o s 锄的结构功能与脂质体类似，只是在辅料中用非离子表面活性剂代替了 磷脂，所以也是用脂质体的制各方法研制的，主要有手摇法( 溶媒蒸发法) 、醚注入 法、超声波法、逆相蒸发法等【”5 “。 除了上述制备囊泡的方法而言，还有一类最简单的制各囊泡的方法，是让原 料两亲化合物在水中溶胀，自发生成囊泡1 5 2 l 。有关这方面的最早报道是在1 9 8 3 年， n i r l l l a 砌【划由十二烷基三甲基羟基铵( d 姗得到了自发形成的囊泡，随后又由双 十二烷基羟基铵n a o ，d 酬，硅表面活性剂咒得到了自发形成的囊泡。这些自发 体系大多由单一表面活性剂构成，要求表面活性剂具有特殊的分子结构，因此类 似的体系数量较少。在囊泡自发形成领域真正的突破是在1 9 8 9 年，k a l e r 和 z a s a d z i m “州从复配的阴阳离子表面活性剂体系得到了自发形成的囊泡，其研究论 文发表在s c i 锄c e 上。人们发现，通过简单的复配就可以得到囊泡，制各操作简便， 并且得到的囊泡稳定性好，其大小、电荷和渗透性等容易通过改变两种表面活性 剂的链长或者比例来调节，这一研究发现极大地弥补了单一表面活性剂的不足， 从此相关的研究报道不断地涌现出来。迄今为止，已经从阴阳离子表面活性剂复 甘盈盈：磷脂囊泡和1 f 离子囊泡的生成与融合9 配体系( l a s i c 和t o n d r e 对此有比较详细的总结) 【5 7 柳】、非离子表面活性剂和助表面 活性剂复配体系【6 2 耐】，两性表面活性剂和阴离子表面活性剂复配体系6 5 删，两种 阳离子表面活性剂复配体系【6 7 】得到了自发形成的囊泡，并且呈现出不断增长的趋 势。 1 1 4 3 囊泡性质 ( 1 ) 囊泡的稳定性 囊泡分散液，特别是磷脂形成的脂质体，是表面活性剂有序组合体在水中的 分散体系。它是不均匀的、非平衡的体系。其分散相的尺寸在胶体的范围，具有 崭时的稳定性，有的可以稳定几周甚至几个月。这是由于形成囊泡的物质在水中 的溶度很小，转移的速度很慢的结果。相对于层状结构，囊泡结构具有熵增加的 优势。这也是有利于囊泡稳定性的因素。已经发现，多室囊泡越大越稳定。有时 也采取可聚合的表面活性剂，在形成囊泡后再进行聚合，以增强囊泡的的稳定性 【6 9 】 o 单个胶团的寿命很短，囊泡却能够长时间地稳定存在，所以分子进出囊泡需 要较长的时间，有时长达数小时、数日甚至数周，因此囊泡体系具有药品输送和 缓释的功能。 另外，一般认为，自发形成的囊泡由于不需要施加任何外力或能量，所得到 的体系相比较超声等非白发方法所制备的囊泡稳定性更好，因此自发性囊泡一经 出现就引起了广泛的关注。 ( 2 ) 囊泡的包容性 囊泡的一个重要特性是能够包容多种溶质。它可以按照溶质的极性把它们包 容在不同部位。较大的亲水溶质包容在它的中心部位。小的亲水溶质包容在它的 中心部位及极性基层之间的区域，也就是它的各个“水室”之中。疏水溶质则在各个 两亲分子双层的碳氢基夹层之中。本身就具有两亲性的分子，例如胆固醇、脂蛋 白之类的化合物，可插到定向的双层中形成混合双层。这种包容作用是囊泡多种 应用的基础。例如它使囊泡具有同时运载水溶性和水不溶性药物的能力【7 0 】。 1 0 扬州人学硕十学位论文 ( 3 ) 囊泡的相变 从量热实验可以清楚感知囊泡双层膜的相变【7 l 】。研究表明，一定温度条件下， 囊泡体系的热效应主要来自于形成囊泡的两亲分子饱和碳氢链在温度较低时成全 反式构象，这种非常有序的状态被叫做凝胶态( g e ls t a t e ) 。发生从凝胶态向液晶态 转变的的温度叫做相转变温度( p h a s et 翰n s i t i o nt e m p e r a 臼】r e ) 。经过此过程，碳氢链 失去全反式构象，链节旋转更为自由，变为准流体，又称为液晶态。 1 1 4 4 囊泡表征 囊泡的表征有很多方法，如深度冷冻透射电镜( c r y o - t e m ) 、光散射法( l s ) 、葡 萄糖捕获法( g l u c o s e t r 叩p i n g ) 以及流变学方法等等。其中c r y o - t e m 是最直观的一 种方法，利用这种方法可以直接得到各种囊泡的照片，但缺点是费用高且操作复杂； 相比之下，光散射方法要简单得多，它分为静态光散射和动态光散射，可以与t e m 相 结合，在确认囊泡存在的前提下，准确地给出其半径，并可以跟踪监测其变化。在越来 越多的自发形成囊泡的报道情况下，光散射可以通过粒径的变化确认囊泡的存在； 葡萄糖捕获法可以测定出囊泡的增溶量；而流变法则可以通过胶柬、囊泡和虫状胶 束流变性质的差别反映其结构的变化【5 0 5 1 1 。 1 1 4 5 囊泡应用【7 2 - 7 3 】 ( 1 ) 生物膜 生物膜与生物体的许多重要活体特性有关，在诸如离子迁移、免疫识别等过 程中起重要作用。生物膜主要由三部分组成。主体是由磷脂和蛋白质组成的混合 定向双层。双层的外表面附有糖朊“萼”层，具有细胞的表面识别功能。双层的内表 面则带有由蛋白质分子交联而成的网。它锚接在混合双层的蛋白质分子上，给膜 以一定程度的刚性。由此可见，囊泡是研究和模拟生物膜的最佳体系。对囊泡的 研究既有助于认识生物膜的奥秘，也提供了通过仿生发展高新技术的途径。 ( 2 ) 药物载体 7 4 】 脂质体分散液静脉注射后可在循环系统中周游人体，并优先为某些器官，例 如肝和脾所吸收。此种特性启发人们利用囊泡来设计药物输送体系。基本的操作 甘盈盈：磷脂囊泡和仆离子囊泡的生成与融合 1 l 是：将水容性的和不溶性的药物包容在囊泡中，通过静脉注射把药物送到靶向器 官。此法有下列优点： a 堵邕形成囊泡的磷脂是无毒的，而且是可以生物降解的。 b 脂质体在循环系统中存留的时间比单纯的药物时间长。脂质体慢慢降解释放 出药物使显效期延长。 c 在脂质体表面附加上特殊的化学基团，可以使药物导向特定器官，并且大大 减少用药的剂量。 d 药物被包裹在脂质体中可防止酶和免疫体系对它的破坏。 在许多方面，物理化学研究已为脂质体包裹药物做出了贡献。例如，应用可 聚合两亲分子形成脂质体以增加稳定性；在相转变温度以上，多室脂质体中药物 扩散出来的速度比在相转变温度以下时快得多，以及各种制各脂质体的方法等。 另外，包裹了药物的脂质体还可以进行冷冻干燥，成为便于存放的固体粉末。使 用时加入溶剂而方便地得到囊泡分散液。这些都是当代药物科学与技术的前沿领 域。可以预见，脂质体药学在医药科学中将继续是一个非常活跃的领域。 近年来脂质体作为药物载体在药物传递系统( d 1 1 l gd e l i v e r ys y s t e m ) 中的研究 有了较迅速的发展，它是目前在体外实验中能够将各种物质引入细胞的最有效的 载体，己经有数百种不同的物质增溶于脂质体中，其中包括酶、糖脂、免疫球蛋 白、单克隆抗体、药物( 尤其是抗肿瘤、抗关节炎、抗感染、抗寄生虫和抗真菌药 物) 抗原、生物调节剂、鳌合剂、标记物、抗生素、离子、疫苗和染色体等。 ( 3 ) 反应微环境【7 3 7 5 】 囊泡可以为一些化学反应及生物化学反应提供适宜的微环境。例如，一些在 水中起作用的微生物的功能常常因存在有机溶剂而受到抑制，而这些有机溶剂又 是为溶解烃类或其它不溶于水的反应成分所必须的。如果用囊泡则可以解此难题， 因为囊泡能够使对环境极性有不同要求的成分分别处在囊泡的不同部位，而且有 相互的接触进行反应的机会。 1 2 卵磷脂及氨基酸的结构和性质 1 2 扬州人学硕+ 学位论文 卵磷脂是一种天然的两亲性表面活性剂，化学名称为磷脂酰胆碱( p h o s p h a t i d y l c h o l i n e 。简称p c ) ，结构式如图1 2 ，广泛存在于动植物体内，是构成生物体细胞 膜的重要成分之一，具有重要的生理功能【7 酬。一般的商业卵磷脂是指广义的卵磷 脂，主要包括括磷脂酰胆碱( p c ) 、磷脂酰乙醇胺( p e ) 、磷脂酰肌醇( p i ) 、磷脂酰丝 氨酸( p s ) 、磷脂酸( p a ) 以及相对应的溶血衍生物( l p c ，l p e ，l p i ，l p s ，l p a ) 【7 刀。 由卵磷脂分子在水相中通过疏水作用形成的双分子膜包围而成的密闭球形囊 泡叫做脂质体，它是与细胞膜结构最为相似的表面活性剂缔合结构，因而是生物 膜模拟的最基本的原料，研究卵磷脂的性质对于仿生学生物膜的模拟有着重要的 指导意义【7 8 8 1 1 。由于卵磷脂的良好的表面活性，在脂质体介质中具有优良的表面 性能与功效，因为它的生物亲和性，其脂质体被用作治疗癌症等病症的药物输送 系统的首选药物载体，在药物的封装和靶向释放，纳米粒子的合成以及作微反应 器等方面都有着重要的应用价值8 卜8 3 】。 o g早h 2 一。一c r 1 l i r ，一c o c ho c h 2 一o p o c h 2 一c h 2 一n 十( c h 3 ) 3 o 圈1 2 卵磷脂的结构式 氨基酸，是指同一分子内含有氨基( n h 2 ) 和羧基( c o o h ) 的化合物总称， 在生物体中他们是组成蛋白质的基本单位【8 4 85 1 ，被认为是研究中重要的生物模型 化合物。在自然界中，组成蛋白质的氨基酸共有2 0 种，除甘氨酸外，所有组成蛋 白质的天然氨基酸都是l q 氨基酸( 图1 3 ) ，其中8 种为人类必需的氨基酸( 苏 氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、) ，这 些氨基酸通过肽键连接成为大分子的蛋白质，是所有生命的基础。氨基酸及其衍 生物广泛应用于医药、食品、添加剂、化妆品、科学研究等领域【8 引。 r h 2 n 一车“h c o o h 图1 3 氨基酸的结构式( 除脯氨酸) 甘盈盈：磷脂囊泡和1 卜离子囊泡的生成与融合 1 3 1 3 囊泡融合的研究背景 细胞融合( c y t o m i x i s ) ，亦称细胞杂交( c e l lm s i o n ) ，是指亲本的两个细胞在特定 的物理和化学因子处理下合并为一个杂种细胞的过程【8 6 l 。生物膜的膜融合对生物 体内细胞成长过程具有重要的作用【8 7 8 8 】，譬如，细胞的生长、细胞间物质的传输、 以及胞吞、胞泌等都与此有关；另外，对生物膜融合问题的深入研究，还将使药物 通过载药脂质体直接引入细胞成为可能陟9 0 1 。1 9 6 0 年法国的b a r s k i 研究小组在两 种不同类型的动物细胞混合培养中发现了自发融合现象。同时，f 1 本的0 k a d a 发 现并证明了仙台病毒可诱发体内艾氏腹水癌细胞彼此融合，自此，开始了细胞融 合的探索1 9 1 1 。由于生物膜的膜融合过程相当快，目前普通的光学显微镜无法观测 得到，使用全内反射荧光显微镜( t o t a l l m e m a lr e n e c t i o nf l u o r e n c em i c o s c o p y ， t i r f m ) 可以观察并记录活细胞内囊泡的运动和各种状态变换，但尚需使用高斯 点扩散函数来构建从而得到囊泡的位置信息9 2 母5 1 。并且生物膜结构组成相当复杂， 因此从物理分析的角度看，对合成囊泡及脂质体形成的模拟膜的研究可以为从分 子水平来研究膜融合的机理提供独特的机会【螂。 七十年代以来，对模拟生物膜之间融合的研究方兴未艾，并且提出和应用了 多种实验方法及手段，如自旋标记、n m r 等来观察囊泡体系的变化，但这些方法 存在致命的缺点，即其实验结果不能绝对地归因于膜的融合。何煦、赵国玺等也 曾采用荧光探针法来追踪囊泡融合的动力学过程【8 9 1 。但是实时追踪囊泡融合的照 片仍然很少，并且多局限于巨大的脂质体囊泡，因而使得研究囊泡的实时融合非常 重要。 1 4 表面活性剂聚集体的流变学研究概况【9 6 姗】 术语“流变学”( r h e o l o g y ) 是由美国物理学家宾汉( e c b i n 曲锄) 于1 9 2 9 年 创造出来的，其定义为“流变学是研究物质形变和流动的科学”。尽管流变学一词作 为一门学科出现只有半个世纪的历史，但流变学思想的起源却可追溯到1 7 世纪的 n e o n ( 牛顿流体) 和h o o k e ( 胡克定律) 。经过众多科学家和学者的不懈努力，时 1 4 扬州人学硕十学位论文 至今同，流变学已发展成为一门与物理、化学、生物、材料、工程以及食品等多 学科交叉的重要学科。 表面活性剂溶液的流变性质研究由于其在许多工业领域( 包括化妆品、食品 乳化剂、油漆、药物、家居用品、油用化学品等) 的广泛应用而方兴未艾【9 7 9 8 1 ， 流变性质己成为影响表面活性剂应用的重要参数【孵1 0 0 1 。表面活性剂聚集体的流变 性质与聚集体的微观结构及其内部基团间的相互作用有直接关系。例如，虫状胶束 和网络结构有较高的粘弹性，六角状和立方状液晶有很高的粘度，而层状液晶则 粘度较低。许多表面活性剂聚集体在剪切流动下，内部结构会发生变化，即所谓的 剪切诱导结构转变，如有的层状相在剪切时会变为囊泡，有的虫状胶束在剪切作 用下能形成完美的网络结构。可以说，流变性质是体系内部微观结构的宏观表现。 由此可见，表面活性剂聚集体的流变性质在表面活性剂的基础理论和实际应用方 面都有十分重要的研究价值f 删。 表面活性剂胶束稀溶液通常具有牛顿流体的流变行为，一般通过测定相对粘 度、增比粘度、比浓粘度、特性粘度等来表征其流变性质。利用这些粘度数据，可 以得到有关胶束的大小、形状和水化作用等方面的信息。表面活性剂浓度小于临 界胶束浓度( c m c l ) 时，溶液中表面活性剂分子主要以单体状态存在，分子的疏水基 被有序的水分子所环绕，而且表面活性剂的极性基团与水分子还存在着相互作用， 从而导致溶液的粘度随表面活性剂浓度的升高而增大。当溶液中的表面活性剂分 子开始形成球状胶束时，有序的水分子被释放出来，自由水分子增多，溶液粘度下 降。浓度达到c m c l 时，粘度最小。然后，表面活性剂的浓度进一步增加导致溶液中 的球状胶束增多，胶束间的相互作用增强，粘度再次升高。当浓度达到第二临界胶 束浓度( c m c 2 ) 时，胶束结构发生转变，由球状变为棒状或盘状，则溶液粘度进一步增 加。由表面活性剂、助表面活性剂和水组成的胶束体系的流变行为近年来有不少 报道【1 0 卜1 0 2 1 。在远离溶致液晶等其他缔合结构的胶束溶液中，粘度一般与剪切速率 无关，表现为牛顿流体行为，与球状胶束一致，而且粘度随助表面活性剂含量的增 大而略有增加。当此胶束体系接近其他结构区域时，胶束的形状会发生变化，溶液 就渐渐失去牛顿性了。 甘盈盈：磷脂囊泡和非离子囊泡的生成与融合 1 5 近年来，人们发现，部分表面活性剂在特殊条件下可以形成尺寸较长、具有柔 性的柱状胶束，并且可以继续增长，其直径为5 m 左右，但长度可以达到1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 n i n ，有时胶束能相互缠绕，形成网络结构。这种胶束又被称为虫状胶束 ( w b 舯l i k em i c e l l e s ) 。它们具有高表面活性和高黏弹性，有广阔的应用前景，特别是 在油气开采方面，它是理想的压裂液、酸化剂和三次采油驱油剂，因而引起越来越 多的关注【1 0 3 - 1 吲。 微乳液的流变性质由于其在三次采油中的重要应用而曾经被广泛研究过【1 0 7 】。 一般认为，w o 型微乳液的粘度随含水量的增加而增加，o w 型微乳液的粘度则随 含水量的增加而降低。它们多表现为牛顿流体行为，双连续( b c ) 微乳液或w i i l s o r i i i 中相微乳液，则多表现为非牛顿流体行为，几乎没有剪切稀释性，粘度一般在 1 0 m p a s 左右，但根据表面活性剂浓度的不同也有所区别。当表面活性剂浓度较小 时，微乳液中主要由网络结构控制其流动状态，流型较为简单；而浓度较高时，流 动则由网络结构和分散相的体积效应共同决定，甚至后者占主导地位，流变曲线 就比较复杂了。 表面活性剂溶致液晶一般分为层状液晶、六角状液晶和立方状液晶，在食品、 洗涤剂、润滑剂、三次采油等许多方面有广泛用途。一般认为，表面活性剂溶致液 晶的流变性质主要表现为非牛顿流体行为、有应力屈服值和较高的黏弹性。层状 液晶的流变曲线显示塑性流体行为，其粘度在所有剪切速率范围内一般都要低于 六角状液晶和立方状液晶，但其应力屈服值相对比较大，而且随助表面活性剂的 含量增加( 固定表面活性剂浓度时) 而增大，粘度较高时表现为弹性体。一般认为， 层状液晶的流变行为与层状结构在剪切作用下的定位有密切关系。许多实验表明， 在低剪切速率下，层状结构与流动旋涡面平行；在高剪切速率时，层状结构则平行 于流动剪切梯度面；在中等切速下，又有双轴流动控制，也有说此时层状相会转变 为多层囊泡的报道。振荡实验中，在整个频率范围内，储能模量g 都比损耗模量g ” 大一个数量级左右，而且它们几乎与振荡频率无关。复合粘度则随频率增加而迅速 减小。这些是层状液晶所特有的。 六角状液晶是一种剪切稀释流体，与柱状胶束类似，但是其粘度要比胶束大 1 6扬州入学硕十学位论文 许多；同时它也有应力屈服值，是塑性流体，但屈服值比层状液晶要小得多。六角 状液晶存在明显的零剪切粘度t 1 0 和无限大剪切速率粘度，即粘度随剪切速率增 大有两个平台出现。六角状液晶的振荡测量表明，在低频率下，结果符合m a x w e l l 模型，松弛时间为几秒，