王益祎，朱華澤，劉鑫鑫

(西安科技大學(xué) 理學(xué)院，西安 710054)

0 引 言

磁性Fe3O4納米顆粒(MNPs)具有優(yōu)異的生物相容性、化學(xué)親和性和超順磁性，在靶向給藥、催化劑、生物傳感器、分離和純化生物分子以及癌癥治療等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1-6]。納米技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)增加了納米材料與人類和環(huán)境接觸的可能[7]。有研究表明納米顆粒通過(guò)呼吸道吸入肺泡后，會(huì)直接進(jìn)入肺表面活性單層膜[8,9]，可能會(huì)引起膜的相變、重組和溶解，從而導(dǎo)致人體疾病。因此，探索納米顆粒與生物膜分子之間的相互作用及其對(duì)人體產(chǎn)生的影響是一個(gè)亟需解決的課題[7]。

研究中常用Langmuir技術(shù)模擬單層生物膜，分析納米顆粒的摻入對(duì)處于空氣-液體界面的模擬膜的影響。近年來(lái)，納米顆粒對(duì)脂質(zhì)單層膜結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的影響受到廣泛關(guān)注[9-13]。Guzman分別研究了二氧化鈦(TiO2)[12]和二氧化硅(SiO2)[13]納米顆粒對(duì)DPPC單層膜界面性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)TiO2納米顆粒影響了單層膜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，改變了準(zhǔn)平衡擴(kuò)張彈性和粘彈性模量的高頻極限值；而SiO2納米顆粒使界面分子的平均分子面積減小，改變了DPPC單層膜的橫向堆積和界面上脂質(zhì)分子之間的內(nèi)聚力，降低了脂單層膜的力學(xué)性能。Chakraborty[9]分別研究了工程碳納米顆粒(ECN)對(duì)4種(DPPC/POPC、DPPC/DPPG、DPPC/DOPG和DPPC/DPPE)肺表面活性單層模擬膜在空氣-液體界面的崩潰機(jī)制的影響，結(jié)果表明，ECN并不影響單層膜的崩潰機(jī)制，但是在膜崩潰過(guò)程中將肺表面活性物質(zhì)保留在界面上的能力，以及在壓縮-擴(kuò)張循環(huán)后活性物質(zhì)重新吸附到界面的能力會(huì)不同程度地被ECN改變。Xu[11]研究發(fā)現(xiàn)疏水性Fe3O4MNPs與POPC/DPPC混合脂分子尾鏈的排斥作用會(huì)導(dǎo)致脂-MNPs復(fù)合體溶入亞相；而親水性Fe3O4MNPs與脂質(zhì)親水頭基的相互作用會(huì)增強(qiáng)脂分子間的相互吸引作用。Piosik[1]研究了氨化殼聚糖修飾的MNPs吸附/摻入模擬膜的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在生理膜壓下(35mN/m)，MNPs可以吸附/摻入DPPC模擬膜中，而且吸附/摻入的MNPs數(shù)量可以通過(guò)MNPs濃度來(lái)調(diào)節(jié)。上述研究表明，納米顆粒的組成、修飾、親/疏水等性質(zhì)會(huì)對(duì)單層膜產(chǎn)生較大影響。MNPs的出現(xiàn)可能會(huì)降低磷脂分子在界面上的可用面積，改變單層膜的結(jié)構(gòu)和內(nèi)聚性，同時(shí)影響單層膜的壓縮性和穩(wěn)定性。

Fe3O4納米顆粒的化學(xué)活性高，在空氣中容易被氧化成Fe2O3，且Fe3O4納米顆粒容易聚集，從而失去磁性納米結(jié)構(gòu)的相關(guān)特性。因此，在Fe3O4納米顆粒的應(yīng)用中，常利用有機(jī)分子、聚合物、表面活性劑或生物分子對(duì)其進(jìn)行表面改性。油酸分子(OA)的尾鏈中存在一個(gè)順式雙鍵，使用OA包覆Fe3O4納米顆粒，可以形成致密的保護(hù)層，增強(qiáng)Fe3O4納米顆粒的穩(wěn)定性和分散性，得到高度均勻和單分散的納米顆粒[10]。本文針對(duì)油酸包覆的Fe3O4納米顆粒展開(kāi)研究。

卵磷脂(PC，電中性)、磷脂酰甘油(PG，帶負(fù)電)、磷脂酰乙醇胺(PE，帶正電)是生物膜中常見(jiàn)的幾種磷脂[14]。生物膜中含量最豐富的磷脂DPPC與納米顆粒的相互作用已得到高度關(guān)注[1,7,12-15]，但納米顆粒與帶電磷脂分子之間的相互作用尚未得到充分的了解。因此，本文結(jié)合Langmuir等溫線實(shí)驗(yàn)、壓縮-擴(kuò)張實(shí)驗(yàn)、振蕩實(shí)驗(yàn)以及布魯斯特角顯微鏡(BAM)實(shí)驗(yàn)[15]，從表面壓、平均分子面積、壓縮-擴(kuò)張?zhí)匦院土髯冃缘确矫娣治隽薕A-Fe3O4MNPs與帶負(fù)電的DPPG單層膜在空氣-水界面的相互作用，為Fe3O4MNPs的安全應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)支持[16,17]。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

二棕櫚酰磷脂酰甘油(DPPG)購(gòu)自Corden Pharma公司(德國(guó))，純度99%；油酸包覆的磁性納米顆粒(OA-Fe3O4MNPs)購(gòu)自西安瑞禧生物有限公司。無(wú)水乙醇、甲醇、氯仿等有機(jī)溶劑均購(gòu)自天津富宇精細(xì)化工有限公司。實(shí)驗(yàn)用水均采用超純水。

Langmuir-Blodgett(LB)膜分析儀為芬蘭KSV公司的Medium型，槽面積為243 cm2。用Wilhelm板測(cè)量表面張力(γ)，精度0.01mN/m. 表面壓(π)定義為π=γw-γ，其中γw為純水的表面張力[9,15]。

DPPG溶解在氯仿/甲醇(3∶1,v/v)溶液中，濃度為0.5mg/mL[15]。OA-Fe3O4MNPs分散在氯仿中形成濃度0.5mg/mL的儲(chǔ)備液[15]，使用前超聲處理5min，避免因MNPs團(tuán)聚而對(duì)實(shí)驗(yàn)造成不利影響[12]。采用恒溫循環(huán)水槽控制亞相溫度為(28.0±0.1)℃(HX-105型，長(zhǎng)流科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 測(cè)繪π-A等溫線[1,11,16]

保持DPPG質(zhì)量不變，改變OA-Fe3O4MNPs的質(zhì)量，配置按一定質(zhì)量比混合的實(shí)驗(yàn)樣品(DPPG:OA-Fe3O4MNPs =m∶m′)，用微量進(jìn)樣器將混合液滴加至純水表面，使其自動(dòng)鋪展20分鐘，以確保有機(jī)溶劑完全揮發(fā)。以10 mm/min的速率壓縮單層膜，測(cè)繪表面壓-平均分子面積(π-A)等溫線。

1.2.2 測(cè)繪Δπ-t曲線[1,11]

將單層膜壓縮至固定表面壓π0=25 mN/m，停止移動(dòng)滑障，記錄表面壓π(t)隨時(shí)間t的變化曲線，計(jì)算得到Δπ-t曲線(Δπ=π(t)-π0)。

1.2.3 壓縮-擴(kuò)張實(shí)驗(yàn)[9,17]

以10 mm/min的速率將單層膜壓縮至50 mN/m，然后以相同的速率擴(kuò)張單層膜至最大面積，循環(huán)3次，記錄表面壓的變化。

1.2.4 振蕩實(shí)驗(yàn)[15]

壓縮單層膜至目標(biāo)表面壓π0=25 mN/m，停止移動(dòng)滑障，靜置10 min使單層膜達(dá)到平衡狀態(tài)。然后滑障以固定振幅按正弦規(guī)律振蕩，振蕩頻率5，20，50，80，100，200mHz，記錄表面壓隨時(shí)間的變化曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 DPPG與OA-Fe3O4 MNPs混合單層膜的熱力學(xué)分析

圖1(a)給出了摻入不同濃度的OA-Fe3O4MNPs后，DPPG單層膜的π-A/A1等溫線(A1是DPPG分子在空氣-水界面充分?jǐn)U散后的平均占有面積[15])。純DPPG單層膜的起始平均分子面積為0.98 nm2，膜由氣相(G)進(jìn)入液態(tài)擴(kuò)張相(LE)的壓縮比(A/A1)為0.57，單層膜的崩潰壓約56 mN/m。摻入OA-Fe3O4MNPs后，等溫線向平均分子面積增大的方向移動(dòng)，且起始平均分子面積(圖1(a)Δ標(biāo)記)也隨之增大，這表明OA-Fe3O4MNPs吸附到空氣-水界面，占據(jù)了DPPG分子在界面上的部分可用面積，產(chǎn)生了具有顯著納米顆粒濃度依賴性的排除面積效應(yīng)(excluded area effects)[15,18]。摻入OA-Fe3O4MNPs后，單層膜的表面壓明顯升高，當(dāng)A/A1=0.4時(shí)，表面壓升高幅度(Δπ0.4)達(dá)最大；當(dāng)DPPG∶OA-Fe3O4MNPs(m∶m′)=2∶1時(shí)，Δπ0.4高達(dá)25 mN/m。表面壓如此大幅度的升高可能對(duì)生物膜系統(tǒng)(如肺表面活性膜)的功能(如呼吸作用)產(chǎn)生明顯的不利影響。表面壓大幅升高與磷脂帶電頭部基團(tuán)和OA-Fe3O4MNPs的相互作用有關(guān)，這可能導(dǎo)致DPPG的凝聚，也可能形成DPPG-OA-Fe3O4MNPs復(fù)合體。將OA-Fe3O4MNPs摻入DPPG單層膜后，未觀察到單層膜崩潰壓(πc)的明顯變化，πc值均集中在56 mN/m左右，納米顆粒的加入并未改變DPPG單層膜的崩潰機(jī)制。Piosik[1]研究發(fā)現(xiàn)氨基殼聚糖修飾的Fe3O4MNPs對(duì)DPPC單層膜的崩潰壓亦無(wú)明顯影響。Chakraborty[9]研究了工程碳納米顆粒與二元磷脂混合單層膜的相互作用，發(fā)現(xiàn)二元混合膜的崩潰機(jī)制也沒(méi)有受到明顯影響。隨著OA-Fe3O4MNPs濃度的增加，DPPG單層膜的極限分子面積(Aext)隨之增大，該現(xiàn)象也出現(xiàn)在由氨基殼聚糖修飾的Fe3O4MNPs與DPPC組成的單層膜體系中[1]。由此可見(jiàn)，納米顆粒可對(duì)磷脂單層膜的極限分子面積產(chǎn)生顯著影響，而且這種影響與納米顆粒的濃度相關(guān)聯(lián)。

圖1 DPPG與OA-Fe3O4 MNPs混合單層膜的π-A/A1等溫線(a)及CS-1-π曲線(b)Fig.1 π-A/A1 isotherms and CS-1-π curves of mixed monolayers of DPPG and OA-Fe3O4 MNPs

利用BAM實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了單層膜的成膜過(guò)程，觀察單層膜的表面結(jié)構(gòu)特征。圖2(a)-(e)為π=10 mN/m時(shí)純DPPG及DPPG:OA-Fe3O4MNPs(m∶m′)=20∶1、10∶1、8∶1和2∶1的單層膜的BAM圖像。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度為28 ℃時(shí)，純DPPG單層膜結(jié)構(gòu)均勻，BAM圖呈現(xiàn)整齊排列的圓形微區(qū)結(jié)構(gòu)(圖2(a))，DPPG單層膜在10 mN/m的壓力下可能處于并不顯著的LE-LC相變共存區(qū)。這與D.Vollhardt[21]發(fā)現(xiàn)溫度處于26～37 ℃之間時(shí)，DPPG僅在LE-LC相變共存區(qū)呈現(xiàn)規(guī)則形狀的微區(qū)結(jié)構(gòu)一致。當(dāng)DPPG:OA-Fe3O4MNPs (m∶m′) =20∶1時(shí)，混合單層膜中可見(jiàn)明顯的OA-Fe3O4MNPs顆粒狀結(jié)構(gòu)(圖2(b))，顆粒之間存在黑色間隙，而在圖2(a)中出現(xiàn)過(guò)的圓形微區(qū)消失。BAM圖像中還存在面積較大的明亮區(qū)域(見(jiàn)紅色圈標(biāo)記)。根據(jù)BAM成像原理可知上述標(biāo)記區(qū)域中膜的厚度顯著增加，推測(cè)這是由于DPPG與OA-Fe3O4MNPs形成了復(fù)合體。隨著OA-Fe3O4MNPs濃度的增加(10∶1和8∶1)，BAM圖像呈現(xiàn)出大量的顆粒結(jié)構(gòu)(圖2(c),(d))。但當(dāng)DPPG:OA-Fe3O4MNPs(m∶m′)=2∶1時(shí)，膜中顆粒狀結(jié)構(gòu)消失(圖2(e))。當(dāng)π=25 mN/m時(shí)，單層膜的BAM圖像如圖2(a′)-(e′)所示。純DPPG單層膜在該表面壓下處于LC相(圖1(b))，界面上整齊排列的圓形微區(qū)結(jié)構(gòu)消失，形成均勻的單層膜(圖2(a′))，其界面分子的可能排列如圖3(a)所示。當(dāng)DPPG:OA-Fe3O4MNPs (m∶m′)=20∶1和10∶1時(shí)，單層膜中的顆粒狀結(jié)構(gòu)排列得更加緊密(圖2(b′),(c′))，且質(zhì)量比10∶1單層膜的BAM圖像中明亮區(qū)域的數(shù)量更多、面積增大，這說(shuō)明隨著MNPs濃度的增加，單層膜中形成的復(fù)合體增多，單層膜部分區(qū)域的厚度增加。當(dāng)質(zhì)量比為8∶1時(shí)，單層膜的BAM圖像右上角區(qū)域的亮度明顯高于左下角(圖2(d′))，說(shuō)明在復(fù)合體持續(xù)增多的過(guò)程中，復(fù)合體與DPPG分子出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，導(dǎo)致單層膜的厚度不均。在質(zhì)量比為2∶1的BAM圖像中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的相分離現(xiàn)象，界面上形成了均勻、致密的單層膜(圖2(e′))，但與圖2(a′)中的DPPG單層膜相比，混合單層膜的亮度增大，這表明大量的DPPG-OA-Fe3O4MNPs復(fù)合體與DPPG在界面形成了混合膜，界面上可能的分子組成如圖3(d)所示。

圖2 DPPG與OA-Fe3O4 MNPs混合單層膜的BAM圖像Fig.2 BAM images of mixed monolayers of DPPG and OA-Fe3O4 MNPs: (a),(a′)DPPG,(b),(b′)DPPG:OA-Fe3O4 MNPs(m:m′)=20∶1,(c),(c′)10∶1, (d),(d′)8∶1,(e),(e′)2∶1

圖3 混合單層膜的界面行為示意圖Fig.3 The schematic diagram of mixed monolayers at the interface: (a)DPPG,(b)DPPG:OA-Fe3O4 MNPs(m∶m′)=20∶1,(c)8∶1,(d)2∶1

2.2 DPPG與OA-Fe3O4 MNPs混合單層膜的動(dòng)力學(xué)研究

為了研究磁性O(shè)A-Fe3O4MNPs對(duì)DPPG單層膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，測(cè)量了OA-Fe3O4MNPs摻入DPPG單層膜的動(dòng)力學(xué)信息。圖4(a)給出了π=25 mN/m時(shí)，OA-Fe3O4MNPs與DPPG單層膜分子間相互作用過(guò)程的表面壓-時(shí)間曲線(Δπ-t)。隨著時(shí)間增加,表面壓均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。經(jīng)歷1 h，Δπ隨OA-Fe3O4MNPs濃度的變化情況如圖4(b)所示。純DPPG單層膜的表面壓在1h內(nèi)變化很小，約減小了3.5 mN/m，這主要?dú)w因于界面有微量的磷脂分子損失進(jìn)亞相中。而在DPPG單層膜中摻入OA-Fe3O4MNPs后，隨著MNPs濃度增加，Δπ變大。當(dāng)DPPG: OA-Fe3O4MNPs(m∶m′)=8∶1時(shí)，Δπ達(dá)最大，約7.8 mN/m，這是由于界面上的DPPG分子與OA-Fe3O4MNPs形成復(fù)合體[22]，減小了DPPG分子在界面的占有面積，表面壓隨之降低，如圖3(b),(c)所示。另有部分復(fù)合體從界面損失到亞相，導(dǎo)致表面壓持續(xù)減小[19,22-23]。當(dāng)DPPG:OA-Fe3O4MNPs(m∶m′)=2∶1時(shí)，表面壓減小約5 mN/m，這是由于DPPG與高濃度的OA-Fe3O4MNPs形成大量復(fù)合體，在部分復(fù)合體損失到亞相后，界面上仍吸附有大量復(fù)合體，因此與質(zhì)量比8∶1的單層膜相比，表面壓下降幅度有所減小(圖3(d))。

在研究DPPG單層膜的壓縮-擴(kuò)張動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，首先將DPPG單層膜壓縮至50 mN/m(避免單層膜完全崩潰)，隨即擴(kuò)張循環(huán)。在壓縮過(guò)程中，部分DPPG從界面擠出，但擴(kuò)張后又會(huì)緩慢地重新吸附到界面上，這導(dǎo)致DPPG單層膜的壓縮和擴(kuò)張曲線中出現(xiàn)滯回現(xiàn)象(圖5(a))，這一現(xiàn)象也出現(xiàn)在循環(huán)壓縮DPPC單層膜的實(shí)驗(yàn)中[17]。利用壓縮-擴(kuò)張循環(huán)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了OA-Fe3O4MNPs在DPPG單層膜中的擠出和再吸附過(guò)程(圖5(b)-(d))。在DPPG:OA-Fe3O4MNPs(m∶m′)=10∶1和8∶1的單層膜中，擴(kuò)張曲線存在明顯滯后現(xiàn)象(圖5(b),(c))，說(shuō)明界面上有分子被擠出到亞相，這與動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果一致(圖4(a))；3次壓縮-擴(kuò)張曲線基本重合，特別是在高表面壓區(qū)(π>20 mN/m)完全重合，這表明從界面擠出的分子依然會(huì)緩慢地重新吸附到界面上，空氣-水界面上的膜組分具有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性[19,24]。值得注意的是，當(dāng)DPPG∶OA-Fe3O4MNPs (m∶m′)=2∶1，表面壓π>28 mN/m時(shí)，第2、3次壓縮-擴(kuò)張曲線向平均分子面積更大的方向移動(dòng)。增加循環(huán)次數(shù)，發(fā)現(xiàn)第4、5次壓縮-擴(kuò)張曲線亦有相同的移動(dòng)現(xiàn)象(圖5(d))。這可能與DPPG-OA-Fe3O4MNPs復(fù)合體的形成有關(guān)，形成復(fù)合體的DPPG分子和MNPs在擴(kuò)張過(guò)程中并不能重新分開(kāi)，而再次壓縮時(shí)又有新的復(fù)合體形成，最終導(dǎo)致曲線在高表面壓區(qū)間向右移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，DPPG-OA-Fe3O4MNPs復(fù)合體的形成可能受表面壓和OA-Fe3O4MNP濃度的共同影響，為此我們考察了DPPG:OA-Fe3O4MNPs(m∶m′)=5∶1的體系，發(fā)現(xiàn)壓縮-擴(kuò)張曲線在第2、3次的壓縮-擴(kuò)張仍然向右移(圖5(c)插圖)。

圖4 混合單層膜在固定表面積下的Δπ-t曲線(a)及弛豫1h后Δπ隨MNPs濃度的變化情況(b)Fig.4 Δπ-t curves of mixed monolayer at constant A and the variation of Δπ with the concentration of MNPs after relaxation for 1 h

圖5 混合單層膜的壓縮-擴(kuò)張曲線Fig.5 Compression-expansion curves of mixed monolayers: (a)DPPG,(b)DPPG:OA-Fe3O4 MNPs (m∶m′)=10∶1,(c)8∶1,(d)2∶1

2.3 DPPG與OA-Fe3O4 MNPs混合單層膜的流變響應(yīng)

為了分析OA-Fe3O4MNPs對(duì)空氣-水界面上DPPG單層膜粘彈性的影響，測(cè)量了在固定應(yīng)變(u0=ΔA/A=5%)、固定表面壓(25 mN/m)和恒定頻率(f=20，50，100 mHz)下單層膜的振蕩曲線?？刂苹弦院愣l率f振蕩，平均分子面積的應(yīng)變?yōu)閇25-26]：

ut=A0[1+u0sin(2πft+φu)]

(1)

則單層膜的應(yīng)力為[26]：

πt=π0+π1sin(2πft+φπ)

(2)

式中：A0為π0=25 mN/m時(shí)的平均分子面積，π1為應(yīng)力幅值，φu、φπ分別為ut、πt的相位。振蕩過(guò)程中單層膜的擴(kuò)張彈性模量E′和粘性模量E″有如下關(guān)系[26]：

(3)

式中：E*是單層膜的擴(kuò)張粘彈性，φ=φu-φπ是應(yīng)力與應(yīng)變的相位差。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力與應(yīng)變曲線的相位差均為φ=0，代入公式(3)可知擴(kuò)張粘彈性中的虛部為零，這表明該混合單層膜的粘彈性以彈性為主[26]。圖6給出了DPPG: OA-Fe3O4MNPs(m∶m′)=20∶1，振蕩頻率為20mHz時(shí)單層膜的應(yīng)變、應(yīng)力實(shí)驗(yàn)曲線(虛線)，利用公式(2)對(duì)應(yīng)力曲線進(jìn)行擬合(圖6(b)實(shí)線)，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線基本吻合，但值得注意的是實(shí)驗(yàn)曲線在峰值處出現(xiàn)畸變，這表明單層膜在振蕩過(guò)程中的應(yīng)力可能存在非線性響應(yīng)[27]。利用快速傅里葉變換(FFT)對(duì)應(yīng)力曲線進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)頻譜中存在2次諧波、3次諧波和5次諧波(圖6(c))，這證實(shí)了單層膜應(yīng)力對(duì)應(yīng)變的非線性響應(yīng)[12]。上述現(xiàn)象也存在于其它幾種質(zhì)量比和振蕩頻率的實(shí)驗(yàn)體系中。綜上，DPPG單層膜中摻入OA-Fe3O4MNPs后，單層膜的應(yīng)力對(duì)應(yīng)變存在非線性響應(yīng)。

圖6 振蕩實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)變曲線(a);表面壓的應(yīng)力曲線(b);應(yīng)力曲線的FFT頻譜(c)Fig.6 (a) Strain curve in oscillation experiment; (b) stress curve of surface pressure; (c)FFT spectrum of stress cure

為了進(jìn)一步研究OA-Fe3O4MNPs濃度與單層膜應(yīng)變響應(yīng)的關(guān)系，測(cè)繪了3個(gè)振蕩周期的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線，得到應(yīng)力-應(yīng)變李薩如圖(圖7)[27-28]。圖7顯示，各單層膜3個(gè)周期的李薩如圖均相互重合。對(duì)于純DPPG單層膜，各頻率的李薩如圖均表現(xiàn)為正滯回曲線(圖7(a)-(a″))，說(shuō)明在振蕩過(guò)程中，壓縮使單層膜中的DPPG分子排列更加有序，表面壓增大[25]；振蕩頻率越高，李薩如圖的滯回面積越大，這說(shuō)明單層膜的粘性有所增加[29]；雖然DPPG單層膜是彈性膜，但當(dāng)振蕩頻率較高時(shí)(100 mHz)，振蕩壓縮首先使單層膜的有序性增加，表面壓增大，然而界面快速擴(kuò)張時(shí)表面壓降低的速度比壓縮時(shí)表面壓增大的速度慢，導(dǎo)致李薩如圖的滯回面積增加，反應(yīng)了單層膜存在微弱的粘性特征。

圖7(b)-(e)，(b′)-(e′)，(b″)-(e″)顯示,4種不同質(zhì)量比例混合的單層膜在各振蕩頻率下的李薩如圖均出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，說(shuō)明單層膜應(yīng)力對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)均是非線性的，這是由于OA-Fe3O4MNPs破壞了DPPG單層膜的均勻性(如圖2(d′))，引起了應(yīng)力的非線性響應(yīng)，這與a-PMMA單層膜體系相似[25]。當(dāng)DPPG:OA-Fe3O4MNPs(m∶m′)=2∶1時(shí)，混合單層膜的李薩如圖均呈現(xiàn)負(fù)滯回曲線(圖7(f)-(f″))，這是由于在振蕩過(guò)程中，壓縮使單層膜的部分分子從界面擠出，表面壓降低[25]。負(fù)滯回曲線中沒(méi)有出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，且壓縮和擴(kuò)張曲線的對(duì)稱性優(yōu)于其他比例的混合單層膜，說(shuō)明該條件下單層膜的應(yīng)力對(duì)應(yīng)變響應(yīng)的非線性成分減少，兩種組分在空氣-水界面形成了均勻致密的單層膜，這與BAM圖像一致(圖2(e′))。

圖7 DPPG與OA-Fe3O4 MNPs混合單層膜的李薩如圖，箭頭表示李薩如圖的前進(jìn)方向Fig.7 Lissajous plots of mixed monolayer of DPPG and OA-Fe3O4 MNPs. An arrow in the figure indicates the forward direction of the Lissajous plots: (a)-(a″)DPPG,(b)-(b″)DPPG:OA-Fe3O4 MNPs(m∶m′)=30∶1,(c)-(c″)20∶1,(d)-(d″)10∶1,(e)-(e″)5∶1,(f)-(f″)2∶1

即使實(shí)驗(yàn)考慮的條件與典型的呼吸周期(更高的頻率和變形幅度)還有很大區(qū)別，但是探索納米顆粒對(duì)DPPG單層膜的影響有助于評(píng)估納米顆粒對(duì)生物膜，特別是肺表面活性膜功能的影響。通過(guò)分析粘彈性模量的頻率依賴性來(lái)探索單層膜的流變響應(yīng)，能夠獲得納米顆粒對(duì)磷脂單層膜平衡過(guò)程中所涉及的弛豫機(jī)制的影響信息[30]。

利用式(4)由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得單層膜的粘彈性模量[26]，根據(jù)公式(5)對(duì)粘彈性模量的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行理論擬合[12,15,30]：

(4)

(5)

圖8 DPPG與OA-Fe3O4 MNPs混合單層膜在不同頻率下的粘彈性模量，圖中實(shí)線為根據(jù)(5)式擬合的理論曲線Fig.8 Viscoelastic modulus of DPPG and OA-Fe3O4 MNPs mixed monolayers at different frequencies. The solid lines in the figure are the theoretical curves fitted according to formula(5)∶ (a)DPPG,(b)DPPG∶OA-Fe3O4 MNPs(m∶m′) =20∶1,(c)10∶1,(d)2∶1

圖9 特征頻率與OA-Fe3O4 MNPs濃度的關(guān)系Fig.9 Relaxation frequency dependences of concentration of OA-Fe3O4 MNPs

為了探明OA-Fe3O4MNPs濃度對(duì)單層膜弛豫過(guò)程的影響，圖9給出了特征頻率f1隨OA-Fe3O4MNPs濃度的變化關(guān)系[15]。在實(shí)驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，隨著單層膜中OA-Fe3O4MNPs濃度的增加，f1在10-3Hz上下波動(dòng)。由此可知，當(dāng)π=25 mN/m、振蕩頻率在10-3～10-1Hz之間時(shí)，DPPG與OA-Fe3O4MNPs混合單層膜弛豫過(guò)程的時(shí)間尺度受OA-Fe3O4MNPs濃度的影響并不顯著。

3 結(jié) 論