《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Mesoscopic-Scale Insights into Cellular Internalization of Deformable Polymeric Nanoparticles: Structural Heterogeneity vs Networked Elasticity
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通过大规模介观模拟研究异质结构及网络弹性对细胞内吞的影响，发现异质结构（如核壳和Janus型）膜穿透效率比均质结构高1.7-2.3倍，弹性增强膜吸附及抗变形能力，结构变形通过内部异质性调节补偿。
宋先宇|聂向宇|王思佳|刘洪超|刘洪来|赵双亮
中国重庆三峡大学环境与化学工程学院三峡水库水环境演变与污染控制重点实验室，重庆404020
摘要
通过调节聚合物纳米颗粒（NPs）的物理化学性质来优化纳米材料的性能和功能一直是材料科学和生物纳米技术的核心。然而，这一方法在广义上的复合聚合物NPs中尚未得到充分证实，因为控制生物-纳米相互作用的多尺度结构-功能关系仍大部分未知。在此，我们进行了大规模的介观模拟，以研究具有不同结构异质性和网络弹性的可变形聚合物NPs在细胞内的摄取过程。当体积膨胀比在5.0%到12.5%之间时，均匀聚合物NPs会发生膜破裂；而在细胞内摄取过程中，异质聚合物NPs则表现出膜包裹现象。具有高杨氏模量的异质结构能够抵抗变形，并引发更强的膜扰动，从而促进膜包裹并增加NPs的摄取量。例如，核壳结构或Janus形状的异质聚合物NPs的膜穿透效率比均匀聚合物NPs高1.7至2.3倍。此外，增加网络弹性可以通过增强粘附力和抵抗结构变形来提高膜包裹效率，这一点通过原子力显微镜（AFM）观察得到了进一步验证。重要的是，聚合物NPs的结构变形会通过压缩表面吸附阻碍细胞内摄取；然而，通过调节内部结构异质性可以补偿这一效应，从而实现膜弯曲。这些发现加深了我们对结构异质性和网络弹性对生物-纳米相互作用协同影响的理解，为开发更有效的纳米材料以实现靶向递送和免疫逃逸奠定了基础。
章节摘录
引言
基于聚合物纳米颗粒（NP）的疗法在定制癌症治疗方面具有巨大潜力，因为它们可以封装多种治疗载荷，包括小分子、生物制剂以及最近的核酸[1]、[2]、[3]。这类纳米颗粒可以被设计成避免载荷意外降解，延长循环时间，并优先将药物递送到肿瘤部位。鉴于递送系统的复杂性，癌症药物治疗通常
生物膜
密度泛函（DPD）模拟在保持流体动力学行为方面的固有能力进一步增强了其在介观生物和软物质系统中的应用性。在DPD方法中，原子或分子簇通常被表示为粗粒化的珠子（或颗粒）。需要注意的是，生物膜通常由两个不对称且弯曲度较大的层组成。图1A展示了一个由脂质和受体以1:1摩尔比构成的膜囊泡。
网络弹性的影响
为阐明NP弹性在介导细胞内摄取动力学中的作用，我们比较了柔软（0.8 MPa）和坚硬（35.3 MPa）的均匀聚合物NPs。图2A-2B分别展示了柔软和坚硬NPs的NP-膜相互作用的典型时空演变过程。对于柔软的NPs，内摄取过程分为四个阶段，如图2A所示：（i）初始表面粘附（或吸附），（ii）局部膜皱褶和波动，（iii）膜包裹
结论
本研究阐明了结构异质性和网络弹性在调控水凝胶NPs的膜相互作用和细胞内摄取过程中的机械耦合机制。通过实验验证的大规模介观模拟表明，尤其是具有高杨氏模量的异质结构能够更有效地抵抗变形，从而在相互作用过程中增强旋转动力学和局部膜扰动。
CRediT作者贡献声明
宋先宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草案，方法学研究，资金获取，数据分析，概念化。聂向宇：研究。王思佳：研究。刘洪来：研究。赵双亮：研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：22478045和22178072）、重庆市自然科学基金（编号：CSTB2024NSCQ-QCXMX0099和CSTB2025NSCQ-LZX0099）以及重庆市教委科技研究计划（编号：KJZD-K202301202）的支持。作者感谢使用基于人工智能的语言增强工具来提高手稿的清晰度和语法质量。所有科学内容和数据
