分子动力学揭示表面拓扑结构如何决定神经酰胺在石墨烯和石墨炔上的吸附模式

《Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures》：Molecular dynamics reveals how surface topology dictates the adsorption mode of ceramide on graphene and graphdiyne

　　

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  石墨烯锁定神经酰胺构象；石墨炔实现动态适应。
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  接触环境密度决定神经酰胺的构象命运。
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  表面拓扑结构在分子尺度控制脂质的吸附模式。
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  分子动力学模拟证实了纯水和盐水环境中稳健的吸附模式。

引言

人体皮肤屏障是机体与外界环境之间一个精致而坚固的界面。其完整性取决于角质层中的层状脂质基质，其中神经酰胺占脂质总量的40%–50%，充当结合相邻角质形成细胞的不可或缺的"砂浆"[1]–[6]。除结构作用外，神经酰胺还作为细胞凋亡和细胞衰老等过程中的重要第二信使发挥作用[7]–[11]。随着工程化纳米材料越来越多地出现在皮肤接触应用（如经皮药物递送和可穿戴生物传感器）中，了解其与皮肤关键结构脂质——神经酰胺——的相互作用变得意义重大[12]–[16]。二维碳纳米材料具有极高的比表面积，为探究此类相互作用背后的基本物理原理提供了一个定义明确的平台。

迄今为止，关于生物-纳米界面的计算和实验研究主要集中在蛋白质和核酸等生物大分子靶标上，而小分子生物分子受到的关注相对较少[17]–[25]。在现有小分子吸附的研究中，大量精力聚焦于化学功能化如何调节结合亲和力和分子取向[26]–[28]。然而，物理表面拓扑的作用尚未得到系统性的理解。这一缺口意义重大，因为表面连续性或多孔性从根本上决定了柔性分子如何在界面上接近、锚定和重构。对于脂质——一类具有显著构象灵活性的小分子生物分子——这一拓扑维度几乎完全未被探索。两种典型的二维碳同素异形体为回答这一问题提供了天然机遇：石墨烯是一种原子级平坦且连续的面片，而石墨炔则是一种具有本征周期性孔隙的网络结构[29]–[31]。两者化学性质相似但拓扑结构相反，形成了受控对照，从而隔离了表面拓扑对脂质吸附的影响。

在本研究中，我们采用全原子分子动力学（MD）模拟，系统比较了神经酰胺在石墨烯和石墨炔上的吸附行为。我们研究了三个相互关联的方面：构象动力学、结合动力学模式和原子级接触模式。通过追溯从表面结构到界面行为的因果链，我们旨在揭示仅凭物理拓扑如何调节神经酰胺在分子层面上的稳定性和迁移性。

章节摘要

模拟方法

本研究中使用的石墨烯和石墨炔模型通过Materials Studio软件构建（示意图见图1）。石墨烯片被建模为约7.8 × 6.6 nm2的纳米片，包含2076个碳原子。石墨炔片被构建为约7.9 × 6.8 nm2的纳米片，包含1246个碳原子。两种材料中的所有碳原子均被建模为无电荷的Lennard-Jones粒子[32]、[33]。van der Waals参数对于

神经酰胺在石墨烯上的吸附行为

为表征神经酰胺在石墨烯上的动态吸附过程，我们在400 ns模拟过程中选取了具有代表性的时间点观察构象快照（图2）。图2为构象演化提供了直接的视觉证据：在沉积后的初始迁移阶段之后，分子逐步采取近平躺取向。

神经酰胺与石墨烯平面之间垂直质心（COM）距离随时间的演化（图3a）呈现下降趋势

结论

本研究表明，二维材料的本征表面拓扑——连续与多孔——决定了神经酰胺的吸附模式和构象命运。在原子级平坦的石墨烯上，神经酰胺被构象锁定为稳定的近平躺形态；在周期性多孔的石墨炔上，它进入动态适应的可逆构象循环状态。这种差异的机制根源在于接触环境密度，定义为接触区域内的原子数目

CRediT作者贡献声明

杨瑞建：原稿撰写、数据整理、概念构思。邵志刚：审阅与编辑、指导、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作受国家自然科学基金（项目编号：52072132）资助。

杨瑞建|邵志刚