JMPS: 电场驱动下巨型脂质体的生长力学机制及尺寸调控

2023-03-01 03:03

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生物膜广泛存在于细胞中是其重要的组成部分之一，膜结构参与了细胞的生命活动且维持着细胞的稳定和功能。但真实生物膜的成分和结构十分复杂，目前仍难以清晰地研究膜相关的生理现象机制。巨型脂质体具有与细胞相似的尺寸和结构、以及显微镜下易观察和操作等特性，作为出色的膜模型和生物载体，广泛应用在生物物理和生物医学领域。

目前，电形成法是制备巨型脂质体最常用的方法，然而由于电形成法下巨型脂质体的生长机制仍不清楚，导致该方法无法精确控制制备得到的巨型脂质体的尺寸，进而无法满足各种应用场景对尺寸的要求。尽管已有报道表明，在电极上引入微结构的方式可以调控巨型脂质体的尺寸，但这类方法的工艺复杂、成本高，且制备的巨型脂质体由于与微结构边缘存在较强的粘附作用导致脂质体无法脱离基底形成悬浮状态。这些不足也限制了这类方法的推广和使用。因此，揭示电场驱动下巨型脂质体的生长行为和机制，并基于其机制设计一种高效的尺寸可控、可悬浮的巨型脂质体制备方法，具有重要的科学意义和工程应用价值。

为了研究电场驱动下巨型脂质体的生长行为和机制，中山大学物理学院物理力学与生物物理研究中心团队在Helfrich自由能模型的基础下，考虑了电场驱动下脂质膜形变与界面粘附作用、电场力作用以及膜张力作用之间的关系，构建了能够描述电场驱动下巨型脂质体生长的力学理论模型，并基于该模型研究了巨型脂质体的生长过程中关键的形核阶段和相互作用阶段的规律。通过理论模型分析和实验原位生长观察相结合，研究结果揭示了膜张力对巨型脂质体形核和生长失稳的力学调控机制。在形核阶段，较大的膜张力会抑制脂质膜的弯曲形核；并随着脂质体的逐渐长大，引起脂质体之间的相互耦合作用。在相互作用阶段，膜张力诱导的耦合作用会造成相邻的脂质体之间在长大到一定临界尺寸后发生生长失稳现象，从初始的“共同生长”模式转变为“竞争生长”模式。通过在脂质膜中引入自由边界的方式，降低其膜张力，进而有利于膜的形核以及生长的稳定性，使得最终制备得到的巨型脂质体具有更多的数量和更好的尺寸均一性。

图1 电形成法下巨型脂质体形核阶段及相互作用阶段的膜张力调控机制

进一步，基于膜张力调控的巨型脂质体生长机制，研究团队提出了一种全新的简单且高效的可悬浮、尺寸可控的巨型脂质体电形成制备方法。通过简单的切割方式在电极基底表面形成尺寸可调节且形状规则的“孤立”岛状脂质膜，并在电场驱动下形成巨型脂质体。实验结果表明，岛状脂质膜上最终能够形成了可悬浮、尺寸均一的巨型脂质体，且其尺寸可通过改变岛状脂质膜的尺寸来调控。此外，可以通过改变内外溶液的浓度来调节巨型脂质体内外渗透压。该方法能够在低成本下制备出满足各领域应用需求的巨型脂质体。

图2 基于电形成法下可悬浮且尺寸可控的巨型脂质体制备

该研究结果为电场下脂质膜形变和脂质体生长的研究发展了一种有效的力学理论模型，并利用该模型系统且深入地探究了电场驱动下巨型脂质体的生长行为和机制，为解决电形成法下巨型脂质体的尺寸难以调控的问题提供了理论基础和指引。此外，该研究还提供了一种低成本且高效的尺寸可控、可悬浮的巨型脂质体制备方法，使其能够满足生物物理和生物医学等领域的应用要求。

该研究成果以“Membrane-tension-dominated growth mechanism and size modulation of giant unilamellar vesicles in electroformation”为题发表在固体力学领域权威期刊 Journal of the Mechanics and Physics of Solids 上。中山大学物理学院朱文鹏教授为论文通讯作者，中山大学物理学院硕士研究生梁植华为论文第一作者，北京大学易新教授为合作作者指导该成果中的理论工作。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家重大科研仪器研制项目以及广东省自然科学基金的支持。