石墨烯纳米片因其在药物递送、生物成像和生物传感器方面的潜在应用而在生物医学领域备受重视。它们对哺乳动物细胞的生物学作用可能受到胆固醇的影响，胆固醇是参与许多重要过程的细胞膜中的关键成分。因此，研究胆固醇对石墨烯纳米片在细胞膜中的传输机制以及石墨烯的最终稳定构型的影响尤为重要，这可能会对细胞毒性产生影响。在本文中，使用分子动力学模拟研究了石墨烯纳米片与具有胆固醇的1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DPPC）膜相互作用的分子细节。结果表明，当胆固醇达到一定浓度时，石墨烯纳米片的结构从纯DPPC膜中的切入状态转变为夹在两个DPPC小叶之间。潜在的机制表明，胆固醇优先吸附在石墨烯纳米片上，这对附近的DPPC尾部造成了更大的干扰，从而引导石墨烯纳米板进入脂质双层的核心，形成夹层结构。我们的研究结果有助于理解石墨烯纳米片与细胞膜之间的基本相互作用机制，并探索石墨烯纳米板在生物医学科学中的潜在应用。
图1.（a）胆固醇（CHOL）、（b）原始石墨烯纳米片和（c）DPPC的分子模型。（d） 该计算系统由原始石墨烯纳米片和水环境中含有DPPC脂质和胆固醇的膜组成。为了清楚起见，省略了水分子。石墨烯纳米片最初以2nm的距离垂直放置在膜上方。
图2. （a） 4×4nm石墨烯纳米片和不含胆固醇的DPPC膜之间的动态相互作用快照。（b） 在相互作用过程中，石墨烯纳米片的倾斜角度以及石墨烯纳米板和DPPC膜（MEM）之间的对应COM的演变。
图3. （a） 4×4nm石墨烯纳米片和含20%胆固醇的DPPC膜之间的动态相互作用。（b） 在相互作用过程中，石墨烯纳米片的倾斜角度以及石墨烯纳米板和DPPC膜之间对应的COM的演变。
图4.不同尺寸的石墨烯纳米片和含有不同摩尔百分比胆固醇的DPPC膜的最终构型的相图。
图5.在将石墨烯纳米片植入DPPC膜之前，石墨烯纳米板中胆固醇和碳原子的密度分布演变。
图6. 石墨烯纳米片附近DPPC尾部的平均倾角以及石墨烯纳米板和DPPC膜之间的对应COM。（a） 图2中4 nm×4 nm石墨烯纳米片与纯DPPC膜相互作用的情况。（b） 图3中4×4nm石墨烯纳米片与含有20%胆固醇的DPPC膜相互作用的情况。
图7. 植入过程中胆固醇在石墨烯纳米片两侧的吸附快照。
图8. 在石墨烯纳米片进入膜之前以及石墨烯与细胞膜形成夹层结构之后，胆固醇的角度分布。插入是胆固醇和具有夹层结构的石墨烯纳米片的快照。
图9 .4×4nm石墨烯片的倾斜角度以及在两种不同的注入模式下胆甾醇的相应吸附数量。（a） 石墨烯纳米片最终在细胞膜上形成一个切入状态。（b） 石墨烯纳米片最终在细胞膜中形成夹层状态。
相关研究成果由浙江理工大学Juanmei Hu和Fengmin Wu等人2024年发表在ACS Omega (链接：https://doi.org/10.1021/acsomega.3c08236)上。原文：Cholesterols Induced Distinctive Entry of the Graphene Nanosheet into the Cell Membrane
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