聚合物囊泡形成机理及结构调控的耗散粒子动力学模拟研究

• 作 者: 裴帅
• 出 处: 中国石油大学(华东)
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 囊泡 形成机理 结构调控 耗散粒子动力学模拟

囊泡是一种重要的自组装体,由于其独特的中空结构(中间疏水层和内外亲水表面)在药物输运、微反应器等领域有着广泛的应用。此外,研究人员发现囊泡双分子层内的物质交换行为与生物细胞膜十分类似,这也使得囊泡在生物仿生领域有着重要的研究价值。在2013年,囊泡输运机制调控的相关研究获得了诺贝尔医学奖,由此可以看出囊泡在生物、化学领域有着重要的研究价值。通过对囊泡形成机理的研究并实现对其微观结构的调控,可以进一步拓展囊泡的应用潜力。基于此,本论文采用耗散粒子动力学模拟的方法,以两亲性嵌段聚合物PAA-b-PS为研究对象,考察了不同嵌段比例及浓度下不同形态囊泡的形成机理;进一步地通过在聚合物末端引入端基,探索了端基亲疏水性、位置和数量对囊泡结构影响的变化规律。本文首先考察了聚合物分子的亲疏水嵌段比例和浓度变化对聚合物自组装形貌和尺寸的影响。模拟结果显示:在相同浓度下,随着聚合物亲水与疏水嵌段比例从5:1变化到1:5,自组装体依次出现球、棒、片层、囊泡、复合胶束的形貌转变。这一变化规律与已有的实验结果一致。此外,浓度的变化对球、棒、复合胶束的形貌不会造成影响。但对于囊泡,随着分子数从600增加到900囊泡可以进一步融合成管状囊泡。对球形和管状囊泡的形成机理分析发现,囊泡融合前后内外两层分子个数比存在差异。因此,我们得出结论在囊泡融合过程中的分子迁移是影响囊泡形态的关键因素。囊泡的结构如空腔大小和壁厚是决定其作为药物载体关键因素,已有研究表明改变聚合物分子的端基性质可以对囊泡结构进行调控,但目前这一领域仍处于起步阶段,研究较少。本论文模拟了端基的亲疏水性、位置和数量对囊泡结构的影响。研究结果表明:当端基连接在疏水嵌段末端时,随着其疏水性的增强,囊泡的壁厚增加空腔尺寸减少;改变端基位置将其连接到亲水末端后,囊泡空腔体积增大但壁厚不变;随着疏水嵌段末端连接端基数量的增加,聚合物囊泡的空腔体积减小同时壁厚增大。在调控端基数量的研究中,当同时连接三个端基时,自组装体呈现出多室囊泡这种复杂的形貌。在本论文中,我们采用耗散粒子动力学模拟方法研究了聚合物嵌段比例和浓度对其自组装的影响,并从分子尺度上揭示了造成囊泡形态差异的原因。此外,通过引入端基对囊泡的空腔和壁厚进行了调控,并总结了端基亲疏水性、位置和数量对囊泡结构的影响规律。本论文的研究结果可为囊泡结构调控和应用提供参考。