唐小峰硕士关于静电势极化程度对石墨烯量子点跨膜能力影响的研究工作在Nanoscale杂志发表

纳米生物学效应是纳米材料与生物分子在界面上的物理、化学和生物学作用的过程，是纳米材料产生正面效应（如纳米医药）或者负面效应（如纳米毒性）的基础，因此研究它们的界面相互作用是理解纳米材料生物学效应的关键。细胞膜作为生命活动的基本单位，支撑着细胞的能量转换、物质运送、信息识别和传递。当纳米材料进入到生物体中，它遇到的第一道屏障就是细胞膜，因此纳米材料和细胞膜的相互作用是目前纳米材料生物学效应研究的一个重要方向。然而，由于纳米材料结构复杂、细胞膜成分多样、膜蛋白含量丰富等因素导致它们的界面作用异常复杂，为建立两者的构效关系带来了巨大的挑战。受限于实验手段的时间分辨率和空间探测能力，在纳米和纳秒的时空尺度上直接观测纳米材料与细胞膜的相互作用仍然存在困难。随着分子力场参数的改进和完善、高性能计算的普及，以及大规模并行模拟软件的成熟应用，其作为研究纳米和纳秒时空尺度上物质界面相互作用的有力工具，除了验证和解释实验结果外，也已成为预测实验结果、指导实验设计的有效理论手段。

石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots, GQD）在生物医学领域，如，靶标药物递送和生物成像等，显示出广泛的应用前景。GQD跨越细胞膜是其获得一些重要生物功能的前提。因此弄清楚GQD与细胞膜的相互作用，对于理解甚至调控其生物学效应至关重要。GQD与生物膜的相互作用受控于GQD的一些重要物理化学性质，而这些物化性质又通常取决于其边缘的修饰（包括：接枝基团或掺杂原子）。

这篇工作中，作者通过调节GQD边缘的电荷分布来理想化的模拟GQD边缘的不同修饰。研究发现此操作会显著影响GQD表面静电势（Electrostatic Potential, EP）的极化程度，并随之深刻地改变其与细胞膜之间的相互作用。换言之，可通过调节GQD的EP来有效地调控其跨膜动力学行为。进一步的机理分析发现，这不仅与GQD和细胞膜的直接相互作用相关，而且还与GQD与水分子的相互作用有关。当静电势非极化或极化程度较低时，GQD呈疏水，GQD与POPC膜之间的范德华相互作用有利于GQD的去水合，因此它可以很容易地从水相中跨越到膜的内部。当GQD的静电势极化程度较高时，其与脂质头部基团之间有较强的静电吸引作用，倾向于被吸附到膜表面。而当GQD表面静电势极化程度更高时，其强的水合自由能则会更利于其从膜表面脱离，无法穿膜。这些发现将有助于理解基于GQD的纳米材料与细胞膜之间的相互作用机理，也有助于合理设计与GQD相关的纳米生物医学材料。

这篇文章发表在Nanoscale 杂志（DOI: 10.1039/C9NR09258G）。我中心唐小峰硕士，张仕通博士后为本论文共同第一作者。刘胜堂技术员，杨再兴副教授为本论文共同通讯作者。