《Soft Matter》：Interfacial encapsulation and desorption of mRNA in dual-oil systemsOpen Access
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专业摘要翻译
液-液体系在化学工程过程中扮演着重要角色，包括生物分子的分离与处理。本研究采用耗散粒子动力学（dissipative particle dynamics, DPD）模拟方法，研究了信使核糖核酸（messenger ribonucleic acid
专业摘要翻译
液-液体系在化学工程过程中扮演着重要角色，包括生物分子的分离与处理。本研究采用耗散粒子动力学（dissipative particle dynamics, DPD）模拟方法，研究了信使核糖核酸（messenger ribonucleic acid, mRNA）类似物在水-双油体系中的脱附与封装行为。研究人员以邻苯二甲酸二乙酯（diethyl phthalate, DEP）作为对mRNA类似物亲和力较低的油相，系统考察了引入第二种对mRNA类似物具有强亲和力的溶剂（良油）所产生的影响。研究分析了良油体积分数及mRNA-良油相互作用参数对界面分配和脱附行为的影响。基于焓-熵考量，研究发现当mRNA类似物与良油之间有利的焓相互作用以及组合熵增益无法补偿构象熵的损失时，脱附在热力学上变得不利。研究还探讨了用其他排斥mRNA的油相替代DEP的效果。尽管劣油的性质会改变大分子在界面上的位置，但脱附和封装的可行性主要受良油分数及mRNA-良油相互作用强度控制。基于上述结果，研究人员构建了一个将体系条件与mRNA类似物封装可行性相关联的相图。此外，研究还分析了脱附过程中的相分离与形貌变化，揭示了随着良油分数增加，体系从分散态向分层态的转变。
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**研究背景与现存问题**
信使核糖核酸（messenger ribonucleic acid, mRNA）已成为现代医学和生物技术中重要的制造产品，其在指导蛋白质合成中的生物学作用使其在疫苗、癌症治疗及遗传病和HIV治疗等领域具有广泛的制药应用前景。然而，mRNA在生产、储存和递送过程中易通过水解和机械损伤等机制降解。为解决这些挑战，脂质纳米颗粒（lipid nanoparticles, LNPs）已成为核酸治疗药物最广泛使用的递送载体。但某些脂质成分可能诱导毒性并在全身给药后蓄积于肝脏。因此，探索替代性的mRNA封装和递送平台仍是重要的研究目标。
分离过程对许多工业操作的成功至关重要。尽管蒸馏仍是最广泛使用的分离技术，但对于热敏性产品（如某些生物分子）以及相对挥发度接近1的混合物，蒸馏往往不切实际。在此背景下，液-液萃取（liquid-liquid extraction, LLE）成为一种有价值的替代分离策略。在LLE中，通过引入目标溶质优先分配的溶剂相来实现分离。然而，由于mRNA本质上是亲水的，将大分子从水相分配到纯油相在热力学上是不利的。因此，需要在油相中添加第二组分以改变体系性质，这种因协同相互作用导致溶解度行为改变的现象通常称为共溶剂效应（cosolvency）。
**研究目的与设计**
基于上述背景，本研究旨在通过计算模拟手段，系统研究在包含水和双油相的体系中，mRNA类似物的界面分配、脱附与封装行为。具体而言，研究人员将邻苯二甲酸二乙酯（diethyl phthalate, DEP）作为对mRNA亲和力低的“劣油”（poor oil），并引入一种对mRNA具有强亲和力的第二溶剂（称为“良油”，good-oil）。研究系统地考察了良油体积分数、mRNA-良油相互作用参数、以及不同劣油种类对mRNA界面分配和脱附行为的影响，并基于模拟结果构建了封装可行性相图。
**主要关键技术方法**
研究人员采用了耗散粒子动力学（dissipative particle dynamics, DPD）粗粒化模拟方法，该方法适用于模拟复杂分子的流体动力学行为。模拟体系包含水相、双油相和mRNA类似物粗粒化聚合物分子。粗粒化方案为：一个水珠代表22个水分子，一个DEP珠代表2个DEP分子，一个mRNA珠代表6个核苷酸，完整的mRNA类似物由110个mRNA珠组成，对应660个核苷酸。所有模拟使用开源软件大规模原子/分子并行模拟器（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator, LAMMPS）进行，时间步长为0.01τ，总模拟时长为300,000步。模拟盒子尺寸为40×40×20个模拟单位，共引入160,000个珠子。体系中将20条相同的mRNA-like分子初始放置在油-水界面。所有图像由视觉分子动力学（Visual Molecular Dynamics, VMD）软件生成。
**研究结果**
**3.1 mRNA界面分配与脱附**
研究人员首先考察了mRNA-良油相互作用参数（a
p-go）和良油体积分数（φ
go）对mRNA大分子行为的影响。研究发现，要将亲水的mRNA吸引进入油混合物，需要mRNA类似物对良油的亲和力强于其对自身的亲和力，这对应于负的混合焓和对拉乌尔定律的负偏差。结果显示，当良油体积分数为10%或更低时，即使a
p-go值非常小，mRNA-like聚合物也无法完全脱附进入油相。研究人员将这一模拟结果与文献中报道的甲基三辛基氯化铵（MTAC）与1-癸醇组成的双溶剂体系在约55%良油体积分数下实现近100% RNA回收的实验结果进行了对比，发现趋势一致。
通过对脱附过程中mRNA-like分子的回转半径（radius of gyration）的分析，研究人员发现当良油体积分数较高时，聚合物可获得更大的自由体积，带来构象熵增益，从而有利于脱附；而当良油浓度降低、聚合物较为集中时，脱附受制于有利的焓贡献和组合熵增益与构象熵损失及链-链相互作用之间的平衡。具体而言，当良油稀少时，聚合物与其他链之间的排斥相互作用更强，进一步阻碍了封装。最终，研究人员得出：当良油组分低于临界浓度时，焓优势和组合熵增益无法补偿构象熵变化和聚合物-聚合物排斥相互作用，从界面完全脱附不再可行。
**3.2 劣油的影响**
研究人员进一步评估了改变劣油对mRNA界面分配和脱附行为的影响。在固定良油体积分数为34%的条件下，考察了三种不同的mRNA-劣油相互作用参数（a
p-po = 30、45、60）并与基线情况（a
p-po = 40）进行比较。结果表明，改变劣油亲和力对界面分配系数仅有微小影响：当a
p-po值较小时（即mRNA与劣油排斥较弱），分配系数略有上移，聚合物更倾向于分配到亲脂相；相反，当a
p-po较高时，mRNA向油相的转移变得略微不利。然而，与分配系数不同，脱附行为基本不受a
p-po影响。因此，研究人员得出结论：至少对于a
p-po ≥ 30的情况，mRNA脱附进入油相主要取决于与mRNA具有有利相互作用的油组分的体积分数，以及该油与mRNA大分子之间的亲和力。
基于上述发现，研究人员构建了一个封装相图，以溶剂亲和力不对称性（a
p-go – a
p-w）为横轴、良油体积分数为纵轴。相图表明，要实现mRNA完全脱附，体系必须处于相图中的特定区域，即对应于较高的良油浓度和较低的a
p-go值。值得注意的是，当良油体积分数过小时，任何a
p-go值都无法使脱附在热力学上可行；同样，存在一个最大的a
p-go值，超过该值脱附无法发生。
**3.3 相分离与mRNA-良油结构**
研究人员利用体系组分的密度图对mRNA-like分子迁移进入油相及随后被良油封装的结构进行了表征。对于所有考察的浓度，聚合物密度较高的区域总是与良油密度较高的区域重合，并伴随劣油的耗竭，这表明形成了聚合物被良油封装的分离相。此外，相形貌随良油体积分数的增加而发生变化：在较低良油浓度下，观察到富含mRNA和良油的塞状相；随着良油浓度增加，形貌转变为更靠近油-水界面的类液滴结构；在较高的良油体积分数下，界面附近形成分层形貌。这些相形貌对液-液萃取系统的下游加工具有重要意义：塞状和液滴状形貌具有较大的比表面积，可增强界面传质，但相分离和产物回收更具挑战性；而分层结构虽界面面积较小，但有利于相分离并简化产品回收。通过模拟快照，研究人员清晰地展示了封装动态过程：mRNA-like分子最初位于界面，随着模拟进行，良油接近大分子并开始封装它们，随后mRNA-良油液滴聚结成更大的液滴，最终从界面脱附并迁移到双油混合物中。
**结论总结与讨论**
本研究通过DPD模拟系统地研究了水-双油体系中mRNA-like分子的界面行为和随后的封装过程。核心结论如下：第一，要吸引mRNA-like分子进入油相，需要非常小的聚合物-良油相互作用参数a
p-go值，甚至达到负混合焓的条件（a
p-go < a
p-p）；第二，在相同的良油-mRNA相互作用参数下，增加良油体积分数φ
go会导致更大的聚合物-油接触，表现为更高的界面分配系数，mRNA脱附也变得更加容易；第三，当φ
go为10%或更低时，任何相互作用参数都无法诱发脱附；第四，通过比较不同良油体积分数下脱附过程中的回转半径，研究人员确认了充足自由体积带来的构象熵增益有利于脱附，但在低浓度下脱附受焓熵平衡与链-链相互作用共同控制；第五，改变劣油种类仅对界面分配行为产生轻微影响，脱附条件基本保持不变，证明mRNA脱附的主要驱动力是良油浓度和良油-mRNA相互作用参数；最后，相密度图分析揭示了从分散形貌（塞状或液滴状）向分层形貌的转变，这些形貌转变可能对mRNA下游回收的操作产生影响。研究同时指出，所有模拟均固定了油-水界面张力以隔离溶剂亲和力的影响，未来工作应考察界面张力对所述现象的作用，并探索改变链长和聚合物浓度对相行为和脱附动力学的影响。
