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Nat Commun:清华徐志平研究组等揭示细胞与石墨烯界面能量耦合与输运机制

摘要 : 2016年9月23日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志在线发表了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、美国麻省理工学院的秦钊博士和马库斯·布勒(Markus J. Buehler)教授共同合作的一篇研究论文。

 2016年9月23日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志在线发表了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、美国麻省理工学院的秦钊博士和马库斯·布勒(Markus J. Buehler)教授共同合作的一篇研究论文,研究题为“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。研究论文报道了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。清华大学航院微纳米力学中心博士生王艳磊为论文第一作者,徐志平研究员、秦钊博士和马库斯·布勒教授为论文供体通讯作者。

该结构厚度为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。

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。

图1 生物纳米器件中的细胞膜-石墨烯界面。

图2 细胞膜-石墨烯分子模型及其界面处的层状水结构

原文链接:

Intercalated Water Layers Promote Thermal Dissipation at Bio-Nano Interfaces

原文摘要:

The increasing interest in developing nanodevices for biophysical and biomedical applications results in concerns about thermal management at interfaces between tissues and electronic devices. However, there is neither sufficient knowledge nor suitable tools for the characterization of thermal properties at interfaces between materials of contrasting mechanics, which are essential for design with reliability. Here we use computational simulations to quantify thermal transfer across the cell membrane–graphene interface. We find that the intercalated water displays a layered order below a critical value of ~1 nm nanoconfinement, mediating the interfacial thermal coupling, and efficiently enhancing the thermal dissipation. We thereafter develop an analytical model to evaluate the critical value for power generation in graphene before significant heat is accumulated to disturb living tissues. These findings may provide a basis for the rational design of wearable and implantable nanodevices in biosensing and thermotherapic treatments wher thermal dissipation and transport processes are crucial.

来源: Nature Communications 浏览次数:0

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