清华航院徐志平研究组揭示细胞与石墨烯界面的能量耦合与输运机制

论文研究指出,在由细胞与石墨烯构成的生物-纳米界面处水分子具有层状的结构。厚度为1至2纳米的界面层中水分子的扩散系数较体相水低,对其能量与信息交换有一定影响,可有效降低细胞与石墨烯之间的接触热阻。

清华新闻网9月27日电 9月23日,清华大学航天航空学院工程力学系、微纳米力学中心徐志平研究组题为“界面水分子层促进生物纳米界面热耗散”(Intercalated Water Layers Promote Thermal Dissipation at Bio-Nano Interfaces)的论文在《自然-通讯》(Nature Communications)上在线发表 。论文研究指出,在由细胞与石墨烯构成的生物-纳米界面处水分子具有层状的结构。厚度为1至2纳米的界面层中水分子的扩散系数较体相水低,对其能量与信息交换有一定影响,可有效降低细胞与石墨烯之间的接触热阻。这一发现有助于在生物纳米器件中实现热量的有效耗散,以及对细胞进行热疗、热操控。

利用功能纳米材料在器件细胞之间构建界面,并由此获取细胞生理行为的信息,或是通过力、电磁、热等方式对生物系统实现有效刺激与调控是生物纳米技术的重要目标。此类器件在执行功能时会产生热量。由于纳米材料维度低、与外界接触面积小,如果热量不能通过细胞-石墨烯界面有效耗散到环境中,将会对器件的稳定工作和细胞的生理行为产生不可控的影响。另一方面,通过纳米器件与细胞的耦合也可对生物体系进行多种方式的干预与调控。然而,到目前为止人们对于生物-纳米复合体系,特别是其界面的结构与能量耦合、输运机制仍然理解有限。

清华航院徐志平研究组揭示细胞与石墨烯界面的能量耦合与输运机制

图1 生物纳米器件中的细胞膜-石墨烯界面。

徐志平研究组通过分子模拟技术研究了磷脂双层膜与石墨烯界面处水层的分子结构,发现当其厚度低于2纳米时,具有显著的层状结构。这一显著区别于体相水的结构特征使其自扩散系数随着水层厚度的减少而显著降低,这将对细胞内外的物质与信息交换和细胞与纳米器件之间的物理、化学耦合有重要影响。在前期的系列研究工作中,该研究组的理论与实验研究发现,石墨烯包裹的存在可以保护外力作用下的细胞,并提供一个封闭的物理、化学环境,有利于对细胞行为的研究和调控。本工作中的研究进一步发现,水分子界面层会有效提高界面热导率,从而对生物纳米界面进行热调控。分子模拟结果还表明,磷脂分子层与石墨烯之间的界面热阻大小与通常的固体-高分子界面热阻相当,而界面热输运机制属于扩散型,因而可以通过建立热阻网络模型对界面热耗散行为和热输运过程进行预测,应用于生物纳米器件的设计。

清华航院徐志平研究组揭示细胞与石墨烯界面的能量耦合与输运机制

图2 细胞膜-石墨烯分子模型及其界面处的层状水结构。

该论文通讯作者为徐志平、美国麻省理工学院的秦钊博士和马库斯·布勒(Markus J. Buehler)教授,第一作者为清华大学航院微纳米力学中心2012级博士生王艳磊。徐志平博士于2010年起开始在清华大学航天航空学院、微纳米力学与多学科交叉创新研究中心工作,现任工程力学系教授;研究兴趣为微纳米尺度下的能量传递、转换过程,复杂材料细观结构与宏观性能关联等物理力学问题,以及这些基础研究在环境能源、生物医疗等领域的应用。

本研究工作受到国家重点基础研究发展计划《可延展柔性无机光子/电子集成器件的基础研究》和国家自然科学基金委员会资助,其中的计算模拟在清华大学高性能计算中心“探索100”平台上完成。

论文链接:

http://dx.doi.org/10.1038/ncomms12854

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b03214

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095034915000926

供稿:航天航空学院 编辑:李华山

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