重庆三峡学院&广西大学《ASS》：石墨烯量子点自驱动实现低毒性跨膜

具有多种氧化结构的石墨烯量子点具有优异的物理化学调控特性，在生物传感器、纳米载体递送、组织工程等领域具有重要的应用前景。特别地，最大限度地减少氧化石墨烯量子点的毒副作用，提高跨生物膜传递效率是研究重点。其中，探究“氧化石墨烯量子点-细胞膜”构成的生物界面是指导下一代生物材料设计与应用的关键。目前，氧化石墨烯量子点与生物膜间的分子作用已被广泛研究，包括膜组成，以及各种氧化结构的石墨烯量子点(包含氧化尺寸、形状、纳米薄片厚度等)。但对空间异质氧化的石墨烯量子点在生物膜中的易位动力学和热力学研究不足，特别是关于Janus形态的石墨烯量子点(Janus石墨烯量子点)与生物膜间的相互作用缺乏系统报道。

广西大学的赵双良教授、重庆三峡学院的李廷真教授、宋先雨博士，基于分子动力学和元动力学模拟研究了Janus石墨烯量子点在生物膜自驱动跨膜输运特性。动力学及热力学结果表明：适度方形氧化或薄的Janus石墨烯量子点通过分子间机械化学作用传导分子间的作用及能量，展现出优异的跨膜输运特性及较小的生物纳米毒性。该研究成果为开发新一代的石墨烯基纳米载体或抗生素开辟了全新的途径。相关论文以题为“Self-propelled Cellular Translocation of Janus-shaped Graphene Quantum Dots: A Molecular Dynamics Simulation and Thermodynamic Analysis“在线发表在Applied Surface Science。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155425

该研究首先基于空间异质氧化策略设计了六种不同氧化结构的Janus石墨烯量子点模型，构建近1.1×10^5个原子的物理系统，系统分析微秒（µs）级分子动力学轨迹，揭示了不同空间氧化石墨烯量子点的生物膜输运过程。Janus石墨烯量子点的氧化纳米域自发地与极性磷脂双分子头部形成氢键，而原始石墨烯纳米域与非极性磷脂双分子尾部疏水缔合，进而展现为自驱动纳米马达，成功实现跨膜输运。基于石墨烯量子点和生物膜之间的质心时间演化曲线揭示了不同空间氧化造成的差异性易位行为。发现具有低氧化水平的石墨烯量子点在生物膜中的易位插入较深并经历短暂的活性结合过程。此外，生物膜和石墨烯量子点间的接触数时间演化曲线，表明方形氧化的石墨烯量子点具有更强的生物膜穿透能量，如图1所示。

图1 (A-B)Janus石墨烯量子点结构设计，(C)石墨烯量子点和生物膜之间的质心距离，(D)石墨烯量子点和生物膜之间的接触数

该研究还利用元动力学对石墨烯量子点易位过程进行热力学分析，分别绘制了三角形和方形氧化的石墨烯量子点跨膜输运二维自由能表面，如图2所示。特别地，依次观察到主动结合、自适应驱动、垂直穿透等易位状态。特别地，自由能结果表明：疏水缔合和氢键结合存在竞争性协调关系，决定了生物膜易位的动态途径和热力学状态，调控着石墨烯量子点自适应性驱动活性。由于氧化纳米域中的异质再分布产生的“溶剂化滞留”效应，三角形氧化的石墨烯量子点较方形氧化的石墨烯量子点表现出较弱的易位特性。

图2 石墨烯量子点跨膜输运自由能：(A-B)二维自由能，(C-D)一维自由能曲线

此外，本研究基于空间氧化形状、氧化程度及纳米薄片厚度，系统地构建了生物膜中的平衡状态易位相图，如图3所示。多层石墨烯量子点的生物膜易位受“空间聚集协同效应”的影响，引起较高生物膜输运能垒。该研究还具体分析了石墨烯量子点跨膜输运过程的压力张量及膜厚度等空间分布特性，揭示石墨烯量子点的生物毒性机制。综上，该研究基于空间异质氧化策略设计了一类Janus石墨烯量子点，能成功实现低毒性生物膜移位；该研究还提出，分子间机械化学在能量转导和纳米机械相互作用中起着至关重要的作用，直接影响着石墨烯量子点的空间旋转路径以及膜结构扰动。

图3 (A)基于空间氧化形状、氧化程度和纳米片厚度构建的跨膜易位状态相图，(B)对应的代表性易位状态，(C1)生物膜质量密度分布，(C2)石墨烯量子点与生物膜间的静电势，(D1-D2)生物膜二维数密度分布，(E1-E2)生物膜的压力张量空间分布

该工作由重庆三峡学院硕士生刘洪超完成实验研究，第一作者为重庆三峡学院宋先雨博士(个人网页：https://www.researchgate.net/profile/Xianyu-Song)，通讯作者为赵双良教授(课题组网页：http://microcheme.cn/)及李廷真教授。本研究工作得到华东理工大学刘洪来教授团队的合作与支持，获得国家自然科学基金（22108022、21878078）、广西科技基地与人才计划（AD21220017）、重庆市自然科学基金（cstc2021jcyj-msxmX0005），重庆博士“直通车”科研项目（CSTB2022BSXM-JCX0133）和万州科技创新计划项目（wzstc20210310）等资助。