Updated by 2017

微纳米颗粒的细胞内吞 

  细胞通过内吞来摄取营养和吞噬细菌、病毒、受损伤和衰老的细胞以及其他进入人体的微纳米物质。细胞内吞的方式主要包括受体介导的胞吞(receptor-mediated endocytosis)，细胞吞噬(phagocytosis)，网格蛋白、脂筏蛋白介导的内吞，巨胞饮以及非网格蛋白、脂筏蛋白依赖的胞吞等。细胞内吞是一个复杂的力学过程。不同的内吞方式会涉及到不同的力学行为，包括细胞膜的突出、收缩和拉伸、细胞骨架的重组、细胞骨架和细胞膜之间的相互作用等。除此之外，颗粒的尺寸、几何形状、拓扑结构、表面物理化学性质（电荷分布，亲水性，粘附强度等）以及颗粒弹性性能等也是影响内吞过程的关键因素。

  本课题组通过构建理论模型，在颗粒受体介导的胞吞这一方向上做了一系列原创性的探索。基于脂质体与细胞膜相互作用的准静态理论模型，我们首次从理论上发现软颗粒比硬颗粒需要更大的粘附能才可以完全进入细胞[15]，后续的理论、分子动力学模拟与实验工作将这一结论推广到更为复杂的条件[17,18,22-24,30,46]。针对胞吞动力学的研究表明，当粘附能足够大时，无体积约束的软颗粒比硬颗粒更快地进入细胞[23]；对于有体积约束的颗粒，胞吞的颗粒弹性效应变得更复杂[30]。棒状颗粒在胞吞过程中取向会发生变化[17]。我们的研究成果明确地指出颗粒的弹性性能对细胞胞吞有着重要的影响，是一个新颖且是重要的调控参数，值得更深入的研究。关于纳米颗粒弹性性能对胞吞影响的研究成果和阶段性进展可以参见已发表论文[15,17,18,22-24,30,46]和综述[38]。

高长径比纳米材料与膜结构的相互作用  

  典型的高长径比纳米材料包括一维纳米材料（纳米管、纳米线等）和二维纳米材料（石墨烯片层等）。它们的特征尺寸、表面物理化学性质和弹性性能共同地决定了它们与细胞膜相互作用的方式。

  对于径向尺寸远大于细胞膜厚度的纳米管，膜张力是影响其与细胞膜相互作用的一个关键因素。当细胞膜的膜张力较大时，具有粘附性的刚性纳米管会平躺在细胞膜表面；当膜张力较小时，纳米管则会垂直地被细胞膜包裹[16]。由于尺寸不匹配，位于细胞内囊泡中的纤长纳米管会受到囊泡的挤压，并导致囊泡发生形变。依赖于纳米管与囊泡的相对尺寸和相对弹性性质，囊泡的构型可以是球形、柠檬状、饺子状、樱桃状或ϕ状，纳米管也会表现出丰富的受限力学行为[27]。软的纳米管由于较易变形，其管端与囊泡膜的接触在热扰动的作用下时断时续；对于硬纳米管，其管端与囊泡膜则会形成较完好的接触[27]。分子动力学模拟表明弹性纳米管在囊泡内的稳定状态与其初始构型和囊泡内外渗透压紧密相关[27]。接触模式的不同会直接影响纳米管的生物毒性。实验与分子动力学模拟结果一致表明硬碳纳米管会导致溶酶体破裂进而造成细胞死亡，而软的碳纳米管则不会[21]。

  在膜外方向拉力作用下，磷脂双分子层膜表面会被拉伸出管状膜结构。当拉伸长度或膜细管长度较小时，拉力与拉伸长度成正比。当拉力达到饱和值后，进一步的拉伸并不会导致拉力的增加，且拉力在历经一段高度非线性区域后会维持在一个稳态值。进一步的理论分析和分子动力学模拟表明，拉力饱和值与拉力作用面积成正比，而拉力稳态值与拉力加载速度和作用面积成正比[26]。

  根据表面亲水性和横向尺寸的不同，二维纳米材料与细胞膜相互作用存在多种模态，包括粘附在细胞膜表面、埋在细胞膜内部或近乎垂直地穿过细胞膜[19]。二维纳米材料对生态环境的影响及其生物安全性方面的研究进展可参见综述[20]。

纳米结构和非均质材料的力学行为和力学性能预测 

  纳米材料和结构由于比表面积大，其力学性能显示出独特的尺寸效应和表/界面效应。研究表明吸附产生的表面应力和结构表面粗糙度对微纳悬臂梁传感器的力学能会产生重要影响[12,13]。对于含纳米夹杂的复合材料，夹杂尺寸、夹杂与材料基底之间的界面性质对纳米复合材料的力学性能[3,4,6-10]和传导性能[1,2,5,11]会产生重要影响。