李吉辰， 蔡珊珊， 彭巨擘， 李宏飛， 段曉征

（1. 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所, 高分子物理與化學(xué)國家重點實驗室, 長春 130022；2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)與工程學(xué)院, 合肥 230026；3. 云南錫業(yè)集團(控股)有限責(zé)任公司研發(fā)中心, 昆明 650000）

離子型聚合物（Ionic polymers）通常指能電離為帶電聚合物和反離子的高分子化合物. 根據(jù)聚合物中離子化單體所占比例不同， 離子型聚合物可以分為離聚物與聚電解質(zhì)兩類［1～3］. 離聚物的非離子化主鏈上連接有少量離子化側(cè)基， 其摩爾分數(shù)在15%以下； 聚電解質(zhì)為離子化單體構(gòu)成的均聚物， 離子化程度高達90%～100%（摩爾分數(shù)）［4］. 由于化學(xué)結(jié)構(gòu)不同， 離聚物和聚電解質(zhì)表現(xiàn)出不同的物理化學(xué)性質(zhì)， 如離聚物主鏈的疏水作用使其在水溶液中聚集［5～8］、 聚電解質(zhì)在水溶液中表現(xiàn)出較好的溶解性［9～11］及電性相反的聚電解質(zhì)通過靜電作用發(fā)生復(fù)合凝聚現(xiàn)象等［12～17］.

傳統(tǒng)囊泡通常由脂質(zhì)體和多聚體等構(gòu)成， 其制備過程往往涉及超聲、 熱浴、 提純和分離有機溶劑等過程［18］. 在制備藥物負載的囊泡體系時， 這些繁瑣的過程會降低生物酶或有機藥物分子等目標(biāo)載體的活性［19］. 為了解決上述問題， 研究人員發(fā)展了利用離子型聚合物制備囊泡結(jié)構(gòu)的新策略［20，21］.Kishimura等［22，23］使用帶有正電荷的聚電解質(zhì)聚［N-（5-氨基戊基）-α，β-天冬酰胺］［Homo-P（Asp-AP）］和帶有負電荷的嵌段共聚物聚乙二醇-b-聚天冬氨酸（PEG-b-PAsp）， 在半乳糖苷酶的水溶液中制備出離子型聚合物復(fù)合囊泡， 同時將酶包裹在囊泡的空腔中. 嵌段共聚物主鏈的疏水締合作用使得囊泡可以長時間地在體內(nèi)循環(huán)， 保持藥物分子的活性［24］； 通過調(diào)節(jié)囊泡的尺寸， 可以使囊泡選擇性地在腫瘤等不同部位富集， 進行靶向作用［25］； 同時， 離子型聚合物復(fù)合囊泡具有很好的滲透性、 生物相容性與空腔結(jié)構(gòu)， 因此在藥物輸運等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力［26］.

在生物材料及醫(yī)藥研發(fā)領(lǐng)域， 研究人員致力于開發(fā)智能響應(yīng)性藥物遞送體系（Drug delivery system， DDS）［27～31］. 通過施加電場， 人們可以對囊泡的輸運、 形變與釋放進行精準(zhǔn)地控制［32］. 與酸堿度、 光及熱等刺激響應(yīng)的藥物輸運系統(tǒng)相比， 使用電場控制囊泡的釋放不會改變化學(xué)環(huán)境， 且容易實施與控制［33，34］. Ge等［28］利用聚吡咯所形成的膠束裝載熒光素和柔紅霉素并注射至小鼠皮下， 從外部施加直流電場成功控制藥物釋放， 初步證明了通過施加外電場可以在體內(nèi)精準(zhǔn)控制藥物輸送系統(tǒng). 對離子型聚合物囊泡在電場中結(jié)構(gòu)變化和破裂行為的探究有助于人們理解相關(guān)機理， 優(yōu)化和發(fā)展囊泡輸運與可控釋放技術(shù).

本課題組利用分子動力學(xué)模擬發(fā)展了稀溶液中利用聚電解質(zhì)復(fù)合凝聚效應(yīng)構(gòu)建大尺寸離聚物膠體的策略［35］. 研究結(jié)果表明， 溶液中相反電性聚電解質(zhì)可以誘導(dǎo)離聚物形成具有“疏水核-離子化殼”結(jié)構(gòu)的膠體. 這種膠體具有很好的力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性， 并表現(xiàn)出電場、 溫度響應(yīng)性形狀記憶效應(yīng). 本文進一步利用聚電解質(zhì)誘導(dǎo)離聚物組裝成離子型聚合物復(fù)合囊泡， 并著重研究了這類囊泡在電場中的結(jié)構(gòu)變化. 首先介紹了模擬研究方法， 然后分析了在恒定電場下囊泡體系達到穩(wěn)態(tài)后的結(jié)構(gòu)、 組分分布與囊泡形變-破裂過程. 結(jié)果表明， 在弱電場中， 囊泡體系發(fā)生由球形向橢球的形變； 隨著電場強度增強， 囊泡結(jié)構(gòu)被破壞， 離聚物組分分散到體系中形成團簇. 本文結(jié)果可以為藥物輸運與可控釋放策略的發(fā)展帶來啟發(fā).

1 模型與方法

基于前期工作［35］， 本文構(gòu)建了離子型聚合物及其反離子的粗?；Ｐ停▓D1）. 利用珠簧模型將聚電解質(zhì)分子粗粒化為40個相連的帶正電的粒子（綠色，Np=40）［圖1（A）］. 離聚物的疏水性主鏈被粗?；癁?0個不帶電的粒子（藍色，Nh=40）， 每隔10個主鏈粒子（Nb=10）連接一個帶負電的側(cè)基（黃色）； 因此， 離聚物的離子化程度圖1（A）與（B）中的淺藍色和紅色粒子為聚電解質(zhì)和離聚物所電離出的反離子.

Fig.1 Schematics of a coarse-grained cationic polyelectrolyte(PE) molecule with the cationic beads in green and counterions in light blue(A) and a coarse-grained ionomer molecule with the uncharged hydrophobic backbone in navy blue, grafted anionic beads in yellow, and counterions in red(B)

模擬體系通過約化單位進行描述， 長度和能量的基本單位分別設(shè)置為σ*=1（對應(yīng)真實長度0.4 nm）和?*=1（對應(yīng)真實能量1kbT）. 我們假設(shè)所有粒子的直徑（σ=1σ*）和質(zhì)量（m=1）都相同， 并利用LJ（Lennard-Jones）勢能[ULJ(r)]考察范德華作用［36］：

式中：r為粒子之間的距離；?和σ為能量與距離參數(shù). 本文將疏水粒子間的能量參數(shù)設(shè)定為?=1.5（對應(yīng)室溫T=298 K條件下的真實能量1.5kBT）， 截斷設(shè)置為rc=2.5σ； 其它粒子間能量參數(shù)為?=1.0， 截斷距離設(shè)置為勢能函數(shù)中的常數(shù)S用于能量函數(shù)平移， 平移后的LJ勢能在其截斷r=rc處的能量值為0. 我們利用庫侖勢［UCoul(r)]計算帶電粒子間的靜電相互作用：

式中：Zi和Zj分別代表帶電粒子i和j的價態(tài)；e為基本電荷；ε0和εr是真空介電常數(shù)和相對介電常數(shù)，水溶液的相對介電常數(shù)為εr=80. 利用PPPM（Particle-Particle Particle-Mesh）算法計算庫倫勢［37］， 其精度設(shè)定為10-5. 聚合物粒子間鍵接相互作用通過FENE（Finite Extensible Nonlinear Elastic）計算［38］：

式中：k=30ε/σ2表示彈性系數(shù)；R0=1.5σ代表鍵的最大拉伸距離.

本文利用LAMMPS分子動力學(xué)軟件進行模擬［39］， 在邊長為L=50σ*的三維立方模擬盒中放置100條離聚物鏈與40條聚電解質(zhì)鏈， 模擬盒子邊界采用周期性邊界條件處理. 體系中粒子的運動滿足Langevin運動方程：

式中：mi=m0， ζi=τ-1， 分別表示粒子i的質(zhì)量和摩擦系數(shù). 作用在粒子i上的力由三部分組成： 粒子間相互作用溶劑摩擦力與隨機力由式（1）～式（3）給出， 溶劑摩擦力與粒子速度呈正比， 隨機力滿足漲落-耗散定理， 其均值為0. 設(shè)定體系溫度T*=1.0， 對應(yīng)T=298 K的室溫. 模擬時間步長設(shè)置為其中Langevin動力學(xué)通過溶劑摩擦力耗散各組分受到的外力， 保證體系動量守恒， 并將溫度維持在設(shè)定值.

本文以具有隨機構(gòu)象的聚合物溶液體系為初始態(tài)， 進行了30次模擬. 經(jīng)過時長為2×106MD steps的模擬后， 形成囊泡結(jié)構(gòu)的概率為76.6%， 其余結(jié)構(gòu)為囊泡前驅(qū)體. 圖2（A）和（B）分別為離子型聚合物復(fù)合囊泡的結(jié)構(gòu)圖及截面圖； 圖2（C）為離聚物、 聚電解質(zhì)及反離子以囊泡質(zhì)心為中心的分布函數(shù).可見， 囊泡為中空的球形結(jié)構(gòu). 囊泡壁由離聚物主鏈通過疏水作用聚集而成， 離聚物側(cè)鏈基團暴露在囊泡內(nèi)壁和外壁. 一部分聚電解質(zhì)通過靜電作用吸附于囊泡外壁表面， 小部分聚電解質(zhì)被包裹在囊泡中， 貼附于囊泡內(nèi)壁表面. 本文定義囊泡壁的厚度為離聚物主鏈的分布曲線與聚電解質(zhì)分布曲線［圖2（C）綠色正三角］的兩處交點的橫坐標(biāo)之差， 囊泡結(jié)構(gòu)的半徑約為11σ， 囊泡壁厚度約為6σ.

Fig.2 Representative simulation snapshots of the ionic polymeric vesicle(A, B) and radial density profiles of all the species from the center of the vesicle(C)

在力場參數(shù)不變的基礎(chǔ)上， 沿x軸正方向?qū)Τ跏寄遗萁Y(jié)構(gòu)施加不同強度的勻強（直流）電場， 研究電場下的囊泡結(jié)構(gòu)變化. 電場強度使用約化單位描述， 其范圍為體系中帶電粒子i受到靜電力施加電場后， 首先利用6×105MD steps的模擬時長研究囊泡破裂過程， 此模擬時長足以確保體系進入穩(wěn)態(tài). 進入穩(wěn)態(tài)后， 又進行了6×105MD steps的模擬， 研究囊泡破裂后的結(jié)構(gòu). 針對每個體系， 利用不同的囊泡構(gòu)型作為初始結(jié)構(gòu)， 進行了20次平行的模擬， 并在每個模擬中以103MD steps為間隔采樣， 從而獲得最終的統(tǒng)計結(jié)果.

2 結(jié)果與討論

模擬研究表明， 在不同的場強下， 囊泡呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)變化和破裂程度. 從圖3（A）和（B）可以看到，在E*=0.02及E*=0.04的電場強度下， 囊泡結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定， 并未發(fā)生破裂. 包裹聚電解質(zhì)的囊泡整體呈電中性， 在外電場中不會發(fā)生定向移動. 電場強度增大到E*=0.06時， 聚電解質(zhì)鏈從囊泡上脫落， 囊泡開始破裂， 而離聚物鏈仍呈現(xiàn)聚集結(jié)構(gòu)， 聚電解質(zhì)與離聚物由于電性相反， 在電場中發(fā)生方向相反的運動［圖3（C）］；E*≥0.08時， 囊泡完全破裂， 分散于體系中［圖3（D）和（E）］.

Fig.3 Representative simulation snapshots at the steady state with field strengths(E*) of 0.02(A), 0.04(B), 0.06(C), 0.08(D) and 0.10(E)

Fig.4 Structure factors of ionomer of vesicle at steady state after applying different strengths of electric field

計算了不同電場強度下體系的結(jié)構(gòu)因子S(q)以表征體系達到穩(wěn)態(tài)后的結(jié)構(gòu). 結(jié)構(gòu)因子表達式為（其 中，N為離聚物的粒子數(shù)；q為倒空間格矢；rj和rk分別代表粒子j和k的位置矢量表示系綜平均）.圖4中， 弱電場（E*≤0.04）下囊泡體系達到穩(wěn)態(tài)后， 結(jié)構(gòu)因子隨著qL/2π的增大快速減小， 并且在qL/2π=4的位置出現(xiàn)峰， 該峰代表離聚物和聚電解質(zhì)相互復(fù)合形成的囊泡有序結(jié)構(gòu). 中等強度電場下（E*=0.06） 該峰消失， 而qL/2π趨近于0時S(q)依然呈現(xiàn)峰值， 表明囊泡結(jié)構(gòu)雖然已經(jīng)消失， 但離聚物在體系中仍然強烈聚集； 在強電場下（E*≥0.08），qL/2π趨近與0時，S(q)值顯著降低且S隨著qL/2π增大而緩慢減小， 表明此時體系中已經(jīng)沒有聚集結(jié)構(gòu)， 離聚物已經(jīng)完全分散于溶液中.

離聚物通過疏水作用締合形成囊泡， 聚電解質(zhì)通過靜電作用吸附在囊泡表面. 在外電場中， 帶有相反電荷的聚電解質(zhì)與離聚物在電場中運動方向相反； 離聚物與聚電解質(zhì)相互分離， 二者形成的聚集結(jié)構(gòu)被破壞， 離聚物形成小尺寸團簇. 為了明確囊泡結(jié)構(gòu)變化前后的組分聚集情況， 進一步計算了離聚物主鏈粒子間的徑向分布函數(shù)gbb（r）和離聚物側(cè)鏈與聚電解質(zhì)單體間的徑向分布函數(shù)gsp（r）（圖5），以表征不同組分在囊泡中的分布情況. 此處，gbb（r）與gsp（r）的計算既包含了鏈內(nèi)成鍵粒子的貢獻， 也包含了鏈間粒子的分布信息. 研究結(jié)果表明，E*≤0.04時，gbb（r）與gsp（r）均在r/σ=1處出現(xiàn)峰值，表明離聚物主鏈堆積緊密， 且吸附有聚電解質(zhì)鏈. 隨著場強增大（E*≥0.06），gsp（r）在r/σ=1處的峰值顯著降低，r/σ＞4之后峰逐漸消失， 表明離聚物與聚電解質(zhì)解吸附；gbb（r）在r/σ=1處峰值降低，r/σ＞1的次級峰消失， 表明離聚物之間的聚集減弱， 團簇分散成更小尺寸的離聚物聚集體.

Fig.5 Radial distribution functions of backbone beads of ionomers(A) and ionic side groups of ionomers and PE monomers(B)

Fig.6 Simulation snapshots of vesicle’s structural variation with time under different strengths of electric fields

進一步考察了外電場下囊泡結(jié)構(gòu)變化的動態(tài)過程及結(jié)構(gòu)變化機理. 圖6展示了3種典型場強下（E*=0.02， 0.06， 0.10）體系結(jié)構(gòu)隨時間的變化. 帶正電的聚電解質(zhì)受到的靜電力為方向與電場方向同向； 離聚物受到的靜電力為方向與電場方向反向. 聚電解質(zhì)與離聚物受到反向的電場力， 因此傾向于反向運動. 當(dāng)電場強度E*＜0.06時， 聚電解質(zhì)在囊泡表面重新排布， 聚集于囊泡一側(cè)；E*≥0.06時， 聚電解質(zhì)開始從囊泡表面脫離， 溶解于水溶液中. 在電場力的作用下， 帶正電荷的聚電解質(zhì)首先富集于囊泡的一側(cè)（圖6，E*=0.02， Time=4×104MD steps）； 隨著電場力進一步增大， 聚電解質(zhì)從囊泡表面脫落（圖6，E*=0.06， Time=4×104MD steps）. 離聚物的離子側(cè)基也同時發(fā)生重新排布， 囊泡表面電荷的有序結(jié)構(gòu)被破壞， 從而導(dǎo)致囊泡的結(jié)構(gòu)無法維持而破裂.

Fig.7 Normalized aggregation number of vesicle as a function of the simulation time

Fig.8 Radial density profile of ionomer’s sidegroup from the center of the vesicle(A) and representative simulation snapshots of the ionic polymeric vesicle at different time(B—D)

其平行于電場方向分量的計算公式為

垂直于電場方向分量的計算公式為

式中：N為離聚物所包含的總粒子數(shù)，ri和rc分別為粒子i和團簇質(zhì)心的位置矢量. 非球形因子的計算公式為

Fig.9 Radius of gyration(A) and asphericity factor(B) of vesicle as a function of the simulation time

式中：λ1，λ2和λ3分別為回轉(zhuǎn)張量的3個特征值.A的取值范圍為0≤A≤1. 當(dāng)A=0時， 聚集體呈球形結(jié)構(gòu)； 當(dāng)A=1時， 聚集體為棒狀結(jié)構(gòu). 當(dāng)電場強度足夠小， 即E*=0.02時， 囊泡形狀沒有發(fā)生改變，與A的值保持不變， 離聚物在囊泡壁以球形團簇的形式存在； 電場強度增至E*=0.04時， 囊泡沿電場方向發(fā)生一定程度的拉伸［圖S1（B）］，和A隨時間延長而緩慢增加， 其垂直電場方向的分量基本不變； 在E*≥0.06的條件下， 當(dāng)Time＜1.0×105MD steps時， 囊泡在電場中發(fā)生較強形變（如圖6中E*=0.06，Time=1.0×105MD steps的圖片所示）時，與A快速增加表明離聚物被明顯拉伸； 囊泡形變達到極限后破裂（如圖6中E*=0.06， Time=2.0×105MD steps的圖片所示）達到峰值后快速降低， 表明離聚物從囊泡中脫離， 在溶液中形成了分散的獨立團簇； 隨著時間進一步延長與A均穩(wěn)定在一個恒定值， 表明體系達到穩(wěn)態(tài)（如圖6中E*=0.10， Time=1.0×105和2.0×105MD steps時的圖片所示）. 此時， 離聚物形成的小尺寸聚集體在外加電場的作用下呈伸展結(jié)構(gòu)，電場強度增大， 拉伸程度增強. 為了明確在囊泡破裂過程中高分子鏈構(gòu)象的變化， 分別對離聚物［圖S2， 見本文支持信息， 上標(biāo)i表示］和聚電解質(zhì)［圖S3， 見本文支持信息， 上標(biāo)p表示］進行了表征，計算了每一條鏈的回轉(zhuǎn)半徑［圖S2（A）， 圖S3（A）］及其垂直于［圖S2（B）， 圖S3（B）］和平行于［圖S2（C）和圖S3（C）］外電場的分量. 圖S2中， 在E*=0.02及E*=0.04的電場強度下， 離聚物的值較小且未發(fā)生顯著變化， 表明離聚物在囊泡中保持緊密堆積. 隨著電場強度的增加， 穩(wěn)態(tài)條件下離聚物的回轉(zhuǎn)半徑及其分量增大， 表明囊泡破裂后離聚物形成更松散的結(jié)構(gòu). 圖S3中囊泡破裂前后聚電解質(zhì)始終呈現(xiàn)相對伸展的結(jié)構(gòu)， 因此并未展現(xiàn)出類似于離聚物的隨電場增強的規(guī)律性結(jié)構(gòu)變化. 圖S2中圖S3中的對比表明， 離聚物單鏈沿電場方向形變程度較小， 而聚電解質(zhì)單鏈沿電場方向則有明顯的拉伸.

3 結(jié) 論

利用粗?；肿觿恿W(xué)模擬研究了不同電場強度下由聚電解質(zhì)和離聚物形成的離子型聚合物復(fù)合囊泡的結(jié)構(gòu)變化， 重點分析了外電場所導(dǎo)致的囊泡破裂過程. 在電場中， 聚電解質(zhì)首先受到電場力作用從囊泡表面脫落. 囊泡中離聚物的離子基團分布不均， 因此囊泡在電場中受力不均并發(fā)生形變. 隨著電場強度持續(xù)增大， 囊泡壁發(fā)生破裂， 離聚物形成小尺寸聚集結(jié)構(gòu).

本文利用較簡化的模型構(gòu)建離子型聚合物復(fù)合囊泡， 通過Langevin動力學(xué)研究了囊泡結(jié)構(gòu)變化與破裂的過程， 但仍存在一些問題值得進一步研究與探討. 例如， 等比例擴大模擬盒子與鏈數(shù)會形成多囊泡結(jié)構(gòu)， 聚電解質(zhì)濃度和鏈長等參數(shù)會影響囊泡形成的概率； 囊泡在交流電場中的行為同樣受到人們的關(guān)注， 其形變與電場的強度及頻率密切相關(guān)； 在之前的研究中， 我們發(fā)現(xiàn)溶劑化效應(yīng)在高分子的靜電關(guān)聯(lián)效應(yīng)和離子排布中起到重要的作用； 此外， 在外加電場作用下， 帶電組分會立即發(fā)生電泳現(xiàn)象， 流體力學(xué)作用隨著組分流速以及溶液黏度的增大而顯現(xiàn). 這些因素對囊泡的形成、 結(jié)構(gòu)變化和破裂過程都有重要影響. 針對上述因素影響囊泡組裝過程的深入研究具有重要意義.

臨床上需要將藥物分子運送至靶點并精確地釋放， 以實現(xiàn)最大的療效和安全性. 傳統(tǒng)的藥物遞送系統(tǒng)受血漿環(huán)境等因素的影響， 生物利用率差， 無法將藥物精準(zhǔn)地投遞， 使得整個治療過程效率低下. 治療癌癥的化學(xué)療法是目前進展最快且效果好， 但限制其應(yīng)用的主要原因是無法精準(zhǔn)將藥物選擇性地遞送到病灶并釋放， 并由此造成系統(tǒng)性的生物毒性和腫瘤處的供藥不足. 相比于傳統(tǒng)的脂質(zhì)體囊泡， 高分子形成的囊泡內(nèi)具有更復(fù)雜的物理締合交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 使其可以在體內(nèi)保持較好的穩(wěn)定性.同時， 通過控制尺寸大小， 囊泡可以選擇性地在病灶處富集， 并在電場信號的作用下非接觸式地控制離子型聚合物囊泡在病灶處的釋放. 本文通過電場中離子型聚合物囊泡的分子動力學(xué)模擬， 為基于離子型聚合物囊泡的藥物輸運系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和開發(fā)提供了新思路.

支持信息見http: //www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/2020553.