电场下离子型聚合物复合囊泡结构变化的分子动力学模拟

李吉辰， 蔡珊珊， 彭巨擘， 李宏飞， 段晓征

（1. 中国科学院长春应用化学研究所, 高分子物理与化学国家重点实验室, 长春 130022；2. 中国科学技术大学应用化学与工程学院, 合肥 230026；3. 云南锡业集团(控股)有限责任公司研发中心, 昆明 650000）

离子型聚合物（Ionic polymers）通常指能电离为带电聚合物和反离子的高分子化合物. 根据聚合物中离子化单体所占比例不同， 离子型聚合物可以分为离聚物与聚电解质两类［1～3］. 离聚物的非离子化主链上连接有少量离子化侧基， 其摩尔分数在15%以下； 聚电解质为离子化单体构成的均聚物， 离子化程度高达90%～100%（摩尔分数）［4］. 由于化学结构不同， 离聚物和聚电解质表现出不同的物理化学性质， 如离聚物主链的疏水作用使其在水溶液中聚集［5～8］、 聚电解质在水溶液中表现出较好的溶解性［9～11］及电性相反的聚电解质通过静电作用发生复合凝聚现象等［12～17］.

传统囊泡通常由脂质体和多聚体等构成， 其制备过程往往涉及超声、 热浴、 提纯和分离有机溶剂等过程［18］. 在制备药物负载的囊泡体系时， 这些繁琐的过程会降低生物酶或有机药物分子等目标载体的活性［19］. 为了解决上述问题， 研究人员发展了利用离子型聚合物制备囊泡结构的新策略［20，21］.Kishimura等［22，23］使用带有正电荷的聚电解质聚［N-（5-氨基戊基）-α，β-天冬酰胺］［Homo-P（Asp-AP）］和带有负电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备出离子型聚合物复合囊泡， 同时将酶包裹在囊泡的空腔中. 嵌段共聚物主链的疏水缔合作用使得囊泡可以长时间地在体内循环， 保持药物分子的活性［24］； 通过调节囊泡的尺寸， 可以使囊泡选择性地在肿瘤等不同部位富集， 进行靶向作用［25］； 同时， 离子型聚合物复合囊泡具有很好的渗透性、 生物相容性与空腔结构， 因此在药物输运等领域有着巨大的应用潜力［26］.

在生物材料及医药研发领域， 研究人员致力于开发智能响应性药物递送体系（Drug delivery system， DDS）［27～31］. 通过施加电场， 人们可以对囊泡的输运、 形变与释放进行精准地控制［32］. 与酸碱度、 光及热等刺激响应的药物输运系统相比， 使用电场控制囊泡的释放不会改变化学环境， 且容易实施与控制［33，34］. Ge等［28］利用聚吡咯所形成的胶束装载荧光素和柔红霉素并注射至小鼠皮下， 从外部施加直流电场成功控制药物释放， 初步证明了通过施加外电场可以在体内精准控制药物输送系统. 对离子型聚合物囊泡在电场中结构变化和破裂行为的探究有助于人们理解相关机理， 优化和发展囊泡输运与可控释放技术.

本课题组利用分子动力学模拟发展了稀溶液中利用聚电解质复合凝聚效应构建大尺寸离聚物胶体的策略［35］. 研究结果表明， 溶液中相反电性聚电解质可以诱导离聚物形成具有“疏水核-离子化壳”结构的胶体. 这种胶体具有很好的力学和热力学稳定性， 并表现出电场、 温度响应性形状记忆效应. 本文进一步利用聚电解质诱导离聚物组装成离子型聚合物复合囊泡， 并着重研究了这类囊泡在电场中的结构变化. 首先介绍了模拟研究方法， 然后分析了在恒定电场下囊泡体系达到稳态后的结构、 组分分布与囊泡形变-破裂过程. 结果表明， 在弱电场中， 囊泡体系发生由球形向椭球的形变； 随着电场强度增强， 囊泡结构被破坏， 离聚物组分分散到体系中形成团簇. 本文结果可以为药物输运与可控释放策略的发展带来启发.

1 模型与方法

基于前期工作［35］， 本文构建了离子型聚合物及其反离子的粗粒化模型（图1）. 利用珠簧模型将聚电解质分子粗粒化为40个相连的带正电的粒子（绿色，Np=40）［图1（A）］. 离聚物的疏水性主链被粗粒化为40个不带电的粒子（蓝色，Nh=40）， 每隔10个主链粒子（Nb=10）连接一个带负电的侧基（黄色）； 因此， 离聚物的离子化程度图1（A）与（B）中的浅蓝色和红色粒子为聚电解质和离聚物所电离出的反离子.

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)

模拟体系通过约化单位进行描述， 长度和能量的基本单位分别设置为σ*=1（对应真实长度0.4 nm）和∊*=1（对应真实能量1kbT）. 我们假设所有粒子的直径（σ=1σ*）和质量（m=1）都相同， 并利用LJ（Lennard-Jones）势能[ULJ(r)]考察范德华作用［36］：

式中：r为粒子之间的距离；∊和σ为能量与距离参数. 本文将疏水粒子间的能量参数设定为∊=1.5（对应室温T=298 K条件下的真实能量1.5kBT）， 截断设置为rc=2.5σ； 其它粒子间能量参数为∊=1.0， 截断距离设置为势能函数中的常数S用于能量函数平移， 平移后的LJ势能在其截断r=rc处的能量值为0. 我们利用库仑势［UCoul(r)]计算带电粒子间的静电相互作用：

式中：Zi和Zj分别代表带电粒子i和j的价态；e为基本电荷；ε0和εr是真空介电常数和相对介电常数，水溶液的相对介电常数为εr=80. 利用PPPM（Particle-Particle Particle-Mesh）算法计算库伦势［37］， 其精度设定为10-5. 聚合物粒子间键接相互作用通过FENE（Finite Extensible Nonlinear Elastic）计算［38］：

式中：k=30ε/σ2表示弹性系数；R0=1.5σ代表键的最大拉伸距离.

本文利用LAMMPS分子动力学软件进行模拟［39］， 在边长为L=50σ*的三维立方模拟盒中放置100条离聚物链与40条聚电解质链， 模拟盒子边界采用周期性边界条件处理. 体系中粒子的运动满足Langevin运动方程：

式中：mi=m0， ζi=τ-1， 分别表示粒子i的质量和摩擦系数. 作用在粒子i上的力由三部分组成： 粒子间相互作用溶剂摩擦力与随机力由式（1）～式（3）给出， 溶剂摩擦力与粒子速度呈正比， 随机力满足涨落-耗散定理， 其均值为0. 设定体系温度T*=1.0， 对应T=298 K的室温. 模拟时间步长设置为其中Langevin动力学通过溶剂摩擦力耗散各组分受到的外力， 保证体系动量守恒， 并将温度维持在设定值.

本文以具有随机构象的聚合物溶液体系为初始态， 进行了30次模拟. 经过时长为2×106MD steps的模拟后， 形成囊泡结构的概率为76.6%， 其余结构为囊泡前驱体. 图2（A）和（B）分别为离子型聚合物复合囊泡的结构图及截面图； 图2（C）为离聚物、 聚电解质及反离子以囊泡质心为中心的分布函数.可见， 囊泡为中空的球形结构. 囊泡壁由离聚物主链通过疏水作用聚集而成， 离聚物侧链基团暴露在囊泡内壁和外壁. 一部分聚电解质通过静电作用吸附于囊泡外壁表面， 小部分聚电解质被包裹在囊泡中， 贴附于囊泡内壁表面. 本文定义囊泡壁的厚度为离聚物主链的分布曲线与聚电解质分布曲线［图2（C）绿色正三角］的两处交点的横坐标之差， 囊泡结构的半径约为11σ， 囊泡壁厚度约为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)

在力场参数不变的基础上， 沿x轴正方向对初始囊泡结构施加不同强度的匀强（直流）电场， 研究电场下的囊泡结构变化. 电场强度使用约化单位描述， 其范围为体系中带电粒子i受到静电力施加电场后， 首先利用6×105MD steps的模拟时长研究囊泡破裂过程， 此模拟时长足以确保体系进入稳态. 进入稳态后， 又进行了6×105MD steps的模拟， 研究囊泡破裂后的结构. 针对每个体系， 利用不同的囊泡构型作为初始结构， 进行了20次平行的模拟， 并在每个模拟中以103MD steps为间隔采样， 从而获得最终的统计结果.

2 结果与讨论

模拟研究表明， 在不同的场强下， 囊泡呈现不同结构变化和破裂程度. 从图3（A）和（B）可以看到，在E*=0.02及E*=0.04的电场强度下， 囊泡结构相对稳定， 并未发生破裂. 包裹聚电解质的囊泡整体呈电中性， 在外电场中不会发生定向移动. 电场强度增大到E*=0.06时， 聚电解质链从囊泡上脱落， 囊泡开始破裂， 而离聚物链仍呈现聚集结构， 聚电解质与离聚物由于电性相反， 在电场中发生方向相反的运动［图3（C）］；E*≥0.08时， 囊泡完全破裂， 分散于体系中［图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

计算了不同电场强度下体系的结构因子S(q)以表征体系达到稳态后的结构. 结构因子表达式为（其 中，N为离聚物的粒子数；q为倒空间格矢；rj和rk分别代表粒子j和k的位置矢量表示系综平均）.图4中， 弱电场（E*≤0.04）下囊泡体系达到稳态后， 结构因子随着qL/2π的增大快速减小， 并且在qL/2π=4的位置出现峰， 该峰代表离聚物和聚电解质相互复合形成的囊泡有序结构. 中等强度电场下（E*=0.06） 该峰消失， 而qL/2π趋近于0时S(q)依然呈现峰值， 表明囊泡结构虽然已经消失， 但离聚物在体系中仍然强烈聚集； 在强电场下（E*≥0.08），qL/2π趋近与0时，S(q)值显著降低且S随着qL/2π增大而缓慢减小， 表明此时体系中已经没有聚集结构， 离聚物已经完全分散于溶液中.

离聚物通过疏水作用缔合形成囊泡， 聚电解质通过静电作用吸附在囊泡表面. 在外电场中， 带有相反电荷的聚电解质与离聚物在电场中运动方向相反； 离聚物与聚电解质相互分离， 二者形成的聚集结构被破坏， 离聚物形成小尺寸团簇. 为了明确囊泡结构变化前后的组分聚集情况， 进一步计算了离聚物主链粒子间的径向分布函数gbb（r）和离聚物侧链与聚电解质单体间的径向分布函数gsp（r）（图5），以表征不同组分在囊泡中的分布情况. 此处，gbb（r）与gsp（r）的计算既包含了链内成键粒子的贡献， 也包含了链间粒子的分布信息. 研究结果表明，E*≤0.04时，gbb（r）与gsp（r）均在r/σ=1处出现峰值，表明离聚物主链堆积紧密， 且吸附有聚电解质链. 随着场强增大（E*≥0.06），gsp（r）在r/σ=1处的峰值显著降低，r/σ＞4之后峰逐渐消失， 表明离聚物与聚电解质解吸附；gbb（r）在r/σ=1处峰值降低，r/σ＞1的次级峰消失， 表明离聚物之间的聚集减弱， 团簇分散成更小尺寸的离聚物聚集体.

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

进一步考察了外电场下囊泡结构变化的动态过程及结构变化机理. 图6展示了3种典型场强下（E*=0.02， 0.06， 0.10）体系结构随时间的变化. 带正电的聚电解质受到的静电力为方向与电场方向同向； 离聚物受到的静电力为方向与电场方向反向. 聚电解质与离聚物受到反向的电场力， 因此倾向于反向运动. 当电场强度E*＜0.06时， 聚电解质在囊泡表面重新排布， 聚集于囊泡一侧；E*≥0.06时， 聚电解质开始从囊泡表面脱离， 溶解于水溶液中. 在电场力的作用下， 带正电荷的聚电解质首先富集于囊泡的一侧（图6，E*=0.02， Time=4×104MD steps）； 随着电场力进一步增大， 聚电解质从囊泡表面脱落（图6，E*=0.06， Time=4×104MD steps）. 离聚物的离子侧基也同时发生重新排布， 囊泡表面电荷的有序结构被破坏， 从而导致囊泡的结构无法维持而破裂.

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)

其平行于电场方向分量的计算公式为

垂直于电场方向分量的计算公式为

式中：N为离聚物所包含的总粒子数，ri和rc分别为粒子i和团簇质心的位置矢量. 非球形因子的计算公式为

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分别为回转张量的3个特征值.A的取值范围为0≤A≤1. 当A=0时， 聚集体呈球形结构； 当A=1时， 聚集体为棒状结构. 当电场强度足够小， 即E*=0.02时， 囊泡形状没有发生改变，与A的值保持不变， 离聚物在囊泡壁以球形团簇的形式存在； 电场强度增至E*=0.04时， 囊泡沿电场方向发生一定程度的拉伸［图S1（B）］，和A随时间延长而缓慢增加， 其垂直电场方向的分量基本不变； 在E*≥0.06的条件下， 当Time＜1.0×105MD steps时， 囊泡在电场中发生较强形变（如图6中E*=0.06，Time=1.0×105MD steps的图片所示）时，与A快速增加表明离聚物被明显拉伸； 囊泡形变达到极限后破裂（如图6中E*=0.06， Time=2.0×105MD steps的图片所示）达到峰值后快速降低， 表明离聚物从囊泡中脱离， 在溶液中形成了分散的独立团簇； 随着时间进一步延长与A均稳定在一个恒定值， 表明体系达到稳态（如图6中E*=0.10， Time=1.0×105和2.0×105MD steps时的图片所示）. 此时， 离聚物形成的小尺寸聚集体在外加电场的作用下呈伸展结构，电场强度增大， 拉伸程度增强. 为了明确在囊泡破裂过程中高分子链构象的变化， 分别对离聚物［图S2， 见本文支持信息， 上标i表示］和聚电解质［图S3， 见本文支持信息， 上标p表示］进行了表征，计算了每一条链的回转半径［图S2（A）， 图S3（A）］及其垂直于［图S2（B）， 图S3（B）］和平行于［图S2（C）和图S3（C）］外电场的分量. 图S2中， 在E*=0.02及E*=0.04的电场强度下， 离聚物的值较小且未发生显著变化， 表明离聚物在囊泡中保持紧密堆积. 随着电场强度的增加， 稳态条件下离聚物的回转半径及其分量增大， 表明囊泡破裂后离聚物形成更松散的结构. 图S3中囊泡破裂前后聚电解质始终呈现相对伸展的结构， 因此并未展现出类似于离聚物的随电场增强的规律性结构变化. 图S2中图S3中的对比表明， 离聚物单链沿电场方向形变程度较小， 而聚电解质单链沿电场方向则有明显的拉伸.

3 结 论

利用粗粒化分子动力学模拟研究了不同电场强度下由聚电解质和离聚物形成的离子型聚合物复合囊泡的结构变化， 重点分析了外电场所导致的囊泡破裂过程. 在电场中， 聚电解质首先受到电场力作用从囊泡表面脱落. 囊泡中离聚物的离子基团分布不均， 因此囊泡在电场中受力不均并发生形变. 随着电场强度持续增大， 囊泡壁发生破裂， 离聚物形成小尺寸聚集结构.

本文利用较简化的模型构建离子型聚合物复合囊泡， 通过Langevin动力学研究了囊泡结构变化与破裂的过程， 但仍存在一些问题值得进一步研究与探讨. 例如， 等比例扩大模拟盒子与链数会形成多囊泡结构， 聚电解质浓度和链长等参数会影响囊泡形成的概率； 囊泡在交流电场中的行为同样受到人们的关注， 其形变与电场的强度及频率密切相关； 在之前的研究中， 我们发现溶剂化效应在高分子的静电关联效应和离子排布中起到重要的作用； 此外， 在外加电场作用下， 带电组分会立即发生电泳现象， 流体力学作用随着组分流速以及溶液黏度的增大而显现. 这些因素对囊泡的形成、 结构变化和破裂过程都有重要影响. 针对上述因素影响囊泡组装过程的深入研究具有重要意义.

临床上需要将药物分子运送至靶点并精确地释放， 以实现最大的疗效和安全性. 传统的药物递送系统受血浆环境等因素的影响， 生物利用率差， 无法将药物精准地投递， 使得整个治疗过程效率低下. 治疗癌症的化学疗法是目前进展最快且效果好， 但限制其应用的主要原因是无法精准将药物选择性地递送到病灶并释放， 并由此造成系统性的生物毒性和肿瘤处的供药不足. 相比于传统的脂质体囊泡， 高分子形成的囊泡内具有更复杂的物理缔合交联网络结构， 使其可以在体内保持较好的稳定性.同时， 通过控制尺寸大小， 囊泡可以选择性地在病灶处富集， 并在电场信号的作用下非接触式地控制离子型聚合物囊泡在病灶处的释放. 本文通过电场中离子型聚合物囊泡的分子动力学模拟， 为基于离子型聚合物囊泡的药物输运系统的优化设计和开发提供了新思路.

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