微納界面體系與新能源、膜分離、界面催化、氣體捕集儲存等眾多研究前沿緊密相關。隨著界面化工新技術和微型器件與設備的開發及應用，界面體系的調控與強化作用的重要性日益凸顯。微納界面體系的基礎研究屬於化工-化學交叉前沿，既不適用傳統唯象理論，也無法採用量子力學開展研究，如何發展合適的定量模型來描述界面作用機理是微納界面體系研究面臨的瓶頸和挑戰。
華東理工大學化工學院趙雙良教授（現加入廣西大學）課題組聚焦這一學科前沿，發展及應用統計力學模型並結合計算機模擬，對微納界面體系開展應用基礎研究，在界面體系熱力學及分子擴散等研究方面取得了一批特色研究成果。最近，趙雙良教授和重慶三峽學院宋先雨博士（原華東理工大學趙雙良教授團隊博士生）利用耗散粒子動力學（Dissipative Particle Dynamics）和拉伸分子動力學（Steered Molecular Dynamics）系統研究了納米水凝膠在生物膜環境中的界面作用機理，闡釋了納米水凝膠內化路徑同時受水凝膠機械強度及包封能力的界面調控機制。相關研究成果發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》，《Macromolecules》，《Journal of Physical Chemistry C》和《Langmuir》等期刊上。
納米載藥是21世紀最重要的研究主題之一，也是典型的微納界面體系。納米水凝膠廣泛用於封裝、儲存和運輸治療劑等智能系統，是未來最具前途和應用價值的納米載體之一。關於聚合物納米載體遞送路徑已有相當多的理論和實驗研究。實際上，已報導的納米載體治療腫瘤的實驗中，多達97％是通過「主動運輸」被轉運到實體瘤中而非傳統的「被動運輸」。而且，只有不到1％注射量的納米載體被轉運到實體瘤中。較低的遞送功效是由於它們在腫瘤中的不良蓄積行為及不良的藥物動力學所致。因此，理解和認識納米載體在細胞攝取內化過程中的分子相互作用機制對設計高遞送率的納米載體至關重要。
與具有高交聯密度和低封裝能力的納米水凝膠容易被膜部分包裹，而低交聯密度和高封裝能力的納米水凝膠更容易滲透到膜中。無論交聯密度如何，納米水凝膠在內化過程中受到「彈性毛細」作用的控制，都會經歷不同程度的結構性形變，即由球形變為橢球形再恢復至球形。在膜內化過程中，脂質體和受體分子間表現出不同擴散行為，脂質體在膜與納米水凝膠接觸區域形成局部的納米域，而受體分子遷移至水凝膠內部，水凝膠進而溶脹。相關機理如圖1所示。模擬結果中的納米水凝膠形態形變、脂質體和受體擴散性質均與實驗比較相吻合。
圖 1同質納米水凝膠的「機械化學」細胞膜內化機制
該團隊還首次研究了結構異質水凝膠--蛋黃@殼水凝膠的生物膜內化機制。與同質的水凝膠相比，結構異質水凝膠呈現出不同的「機械化學」生物膜內化行為，具有強親和力的蛋黃結構直接與膜接觸，導致部分膜包裹；與同質納米水凝膠相比，接觸面積大大減少，從而導致脂質構成的納米域變小，從而避免了相關的細胞毒性。相關機理如圖2所示。該工作以「Mechanochemical Cellular Membrane Internalization of Nanohydrogels: A Large-Scale Mesoscopic Simulation」為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上（DOI: 10.1021/acsami.0c16688）。
圖 2異質納米水凝膠的「機械化學」細胞膜內在化機制
該團隊前期還提出了一種可定量描述PNIPAM水凝膠溫敏特性模型，該模型能準確描述PNIPAM水凝膠塌陷動力學過程中的主要實驗特性，包括體積相轉變溫度、溫度依賴性粒徑、結構形態變化等性質。該研究工作以「Deswelling Dynamics of Thermoresponsive Microgel Capsules and Their Ultrasensitive Sensing Applications: A Mesoscopic Simulation Study」為題，發表在《Journal of Physical Chemistry C》雜誌上（DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b09998）。
基於機器學習，該團隊對水凝膠界面工程展開細緻研究，提出了水凝膠界面潤溼、膠體粘黏兩種吸附機制，並根據溫度、交聯密度、界面作用強度繪製了界面吸附相圖。結果如圖3所示。該工作以「Interfacial Engineering of Thermoresponsive Microgel Capsules: Polymeric Wetting vs Colloidal Adhesion」為題，發表在《Macromolecules》雜誌上（DOI: 10.1021/acs.macromol.8b02323）。
圖 3微凝膠相變行為、機器學習與微凝膠界面工程
以上工作，論文第一作者為宋先雨博士，通訊作者為趙雙良教授。研究工作得到了華東理工大學劉洪來教授的精心指導。相關研究工作受到了國家自然科學基金等科研項目的支持。
原文件連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c16688
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.8b09998
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b02323
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.9b01395
來源：高分子科學前沿
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