自然界的磷脂双层膜由两层磷脂单分子组装而成，是生命活动的重要载体。磷脂膜的生物相容性使得其在生物传感器、仿生纳滤膜和生物膜反应器等领域呈现良好的应用前景。阐释外力作用下磷脂膜破裂过程的规律，对于磷脂膜和基于磷脂膜的器件设计及应用具有重要的基础意义。表面张力是磷脂膜所受到的最重要外力之一，磷脂膜在高强度表面张力及其快速变化作用下会加速破裂。微管吸吮实验表明，当表面张力在（10～30）×10−5N·cm−1的范围内，磷脂囊泡就会发生破裂，磷脂囊泡破裂亦与表面张力的施加速度有关。然而磷脂膜的破裂是发生在分子尺度上的微秒级变化，尚难以直接通过实验研究磷脂膜破裂的分子机制。分子模拟为研究磷脂膜的破裂提供了有力工具。Tieleman等利用全原子分子动力学模拟发现对于纯DPPC磷脂膜，当横向的机械拉伸力大于−200×10−5Pa时，磷脂膜会发生不可逆的破裂。Groot等采用耗散粒子动力学研究了表面活性剂对张力下磷脂膜的破裂行为的影响，模拟结果显示表面活性剂的存在降低了磷脂膜的可拉伸性并且降低了磷脂膜所能承受的最大表面张力。Leontiadou等采用分子动力学的方法研究了纯DPPC膜中亲水性孔道的结构及磷脂膜的破裂，结果表明当磷脂膜的表面张力低于38×10−5N·cm−1时，膜中的亲水性孔道可以保持稳定的结构；而当表面张力大于该值时，孔道结构逐步扩大并最终导致膜的破裂。Lai等的研究表明，直径小于0.5 nm的纳米粒子有助于水分子进入磷脂双分子层并诱导磷脂膜破裂；而直径大于0.7 nm的纳米粒子则有助于稳定磷脂膜。Xie等采用分子动力学模拟展示了表面张力的施加速度对于纯DPPC磷脂膜破裂的影响。总体而言，从分子水平上揭示磷脂组成对磷脂膜破裂的影响机制以及对非恒定表面张力作用下磷脂双层膜的破裂规律的研究尚有待深入。

本文利用粗粒化分子动力学模拟方法，考察表面张力强度为80×10−5N·cm−1条件下磷脂膜的破裂过程。通过建立磷脂膜破裂临界时间和临界表面张力值的分析方法，采用电中性的二棕榈酰磷脂酰胆碱（dipalmitoyl phosphatidylcholine,DPPC）和带负电的二棕榈酰磷脂酰甘油（dipalmitoyl phosphoglycerol,DPPG）作为磷脂膜组分，考察表面张力施加速率以及磷脂膜组成对磷脂膜破裂行为的影响规律。进一步地，提出“动态”微观对抗理论以描述磷脂膜破裂过程的动力学，旨在为磷脂膜和磷脂膜元件的设计及其应用提供理论指导。

分子动力学模拟与分析

模型

图1磷脂双层膜模型

采用Marrink等开发的Martini粗粒化力场，整个模拟系统包含粗粒化的磷脂分子、粗粒化的水粒子和用于平衡体系电荷的离子。磷脂分子的模型如图1(a)所示，DPPG和DPPC磷脂分子均由12个粗粒化粒子组成。其中，DPPC分子极性头部含有一个带正电的胆碱基团（NC3）粒子、一个带负电的磷酸基团（PO4）和两个中性的甘油骨架（GL1,GL2），总净电荷为0；而DPPG分子极性头部含有一个中性的甘油基团（GL0）、一个带负电的磷酸基团（PO4）和两个中性的甘油骨架（GL1,GL2），总净电荷为−1e。DPPG和DPPC磷脂分子的两条疏水尾均分别由4个疏水性的粒子组成，每个粒子代表实际的磷脂分子尾部的3个甲基或亚甲基。Martini力场中，4个水分子被粗粒化为1个粗粒化粒子，符号为W。模拟过程中用于维持模拟体系电中性的离子为粗粒化钠离子(Na+)，包括钠离子及其水合分子，带有+1e的正电荷，直径为0.47 nm。

模拟与分析方法

模拟软件为Gromacs 4.5.5,所用力场为Martini粗粒化力场，模拟采用了周期性边界条件。控温方法均采用了Berendsen方法，耦合常数是0.4 ps。控压也采用了Berendsen方法，依据不同的表面张力施加速率，耦合常数控制在0.4～4.0 ps之间。控压方法是半各向异性的，磷脂膜的法向（即Z向）施加1.0×105Pa的恒定压力；而磷脂膜平面（即XY平面）施加恒定的表面张力。在模型构建过程中，模拟盒子边长X与边长Y相同，在XY平面上压力控制为各向同性，因此模拟盒子边长X和边长Y在模拟过程中始终相等，即Xbox=Ybox。依据标准的Martini力场，静电相互作用和Lennard-Jones相互作用的截断半径均设为1.2 nm，积分步长为40 fs。

所有的模拟体系[图1(b)]中，整个盒子有216个磷脂分子，两个磷脂单层的磷脂分子的数目及比例均一致。对于由DPPC构成的磷脂膜，在模拟体系中加入9028个溶剂粒子。对于由DPPC和DPPG构成的磷脂膜，为了保证模拟体系电中性，与DPPG数目相等的溶剂粒子被替换为钠离子（Na+）。

在模拟磷脂膜破裂过程之前，首先将模拟体系置于表面张力为70×10−5N·cm−1下，进行200 ns的模拟平衡。因为此表面张力低于磷脂膜破裂的临界值，故而磷脂膜保持完整性。选取平衡模拟最后50 ns，每隔0.1 ns选取构象，得到500个不同的初始构象，作为后续破裂过程模拟的初始构象。在磷脂膜破裂过程模拟时，将目标耦合表面张力值设定为80×10−5N·cm−1，在NPzσT系综条件下模拟36 ns，统计磷脂膜的破裂时间及其对应的临界破裂表面张力。

在模拟过程中，通过改变式(1)中控压耦合常数τP来考察表面张力变化速率对磷脂膜破裂动力学的影响。

式中，σ(t)是t时刻磷脂膜的表面张力，σe是目标耦合表面张力值，τP是控压耦合常数。

结果分析过程中，采用VMD软件来观察轨迹及作图。体系的表面张力（σ），盒子尺寸（Xbox,Ybox,Zbox）等是通过Gromacs自带的分析工具获取的。理论分析及拟合中用到的程序均采用Matlab来完成。

结论

采用粗粒化分子动力学模拟的方法研究了非恒定表面张力作用条件下，磷脂膜组成对磷脂双层膜破裂过程的影响。研究表明，提高表面张力施加速率可加速磷脂膜的破裂过程；提高磷脂双层膜中DPPG的比例，有利于增强磷脂双层膜的稳定性，具体表现为破裂时间延迟、破裂时间分布展宽和临界表面张力增加。提出了“动态”微观对抗理论模型，并对磷脂膜的破裂过程动力学进行拟合预测。结果表明该理论可以很好描述表面张力变化条件下磷脂膜的破裂过程动力学，再现分子动力学模拟结果，对磷脂双层膜的设计和应用具有指导意义。