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这篇研究首次量化了二维石墨烯颗粒在磷脂单层（DPPC）中的扩散系数，通过实验与理论（HPW模型及其Petrov & Schwille近似）对比，揭示了石墨烯主要与DPPC烃链相互作用，而非嵌入膜内，扩散速率远超模型预测。这项工作为理解二维材料（如石墨烯）与生物膜（如肺泡表面活性剂单层）的相互作用提供了关键实验依据，对评估其生物安全性（如吸入毒性）和设计生物医学应用（如药物递送）具有重要意义。
文章内容归纳
引言
颗粒与磷脂膜的相互作用在生物系统、纳米技术和消费品中至关重要。二维（2D）颗粒（如石墨烯）因其原子级厚度，其与磷脂膜的相互作用尚不明确且实验研究颇具挑战。本研究旨在通过实验方法量化石墨烯在磷脂单层中的扩散性，以揭示其在膜内的排列方式。理解二维材料如何与生物膜（如细胞膜、肺泡表面活性剂单层）相互作用，对于评估其潜在健康风险（如吸入暴露导致的肺部炎症）和开发其生物医学应用（如药物递送载体）均具有根本重要性。二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）是肺部表面活性剂的主要成分（约65 wt%），其在水-空气界面形成的单层是研究生物膜相互作用的经典模型系统。
实验方法
研究构建了一个模型实验系统。采用光刻法制备了尺寸和形状可控的10 μm直径单层石墨烯圆盘。通过湿法蚀刻铜箔基底，将图案化的石墨烯颗粒转移至空气-水界面。在该界面上，通过滴加溶解于氯仿的DPPC溶液（含1 wt% Texas Red标记的DHPE用于荧光成像）来制备DPPC单层，并研究了表面浓度从0到2.5 mg/m2的变化。
使用结合了干涉反射显微镜（IRM）和荧光显微镜的倒置显微镜系统对界面进行观测。IRM用于可视化石墨烯颗粒和1 μm聚苯乙烯微球，荧光显微镜则用于观察DPPC单层的液相扩张（LE）和液相凝聚（LC）域结构。通过粒子追踪技术，以83.3帧/秒的速度记录颗粒运动，并使用自定义MATLAB代码（基于Crocker和Grier算法）计算颗粒的均方位移（MSD）和扩散系数（D）。MSD与滞后时间（τ）的关系由公式 < />2(τ)> = 2dDτα描述，其中α≈1表明布朗扩散。数据在约1秒的滞后时间处计算扩散系数，并进行了全局漂移校正。
结果与讨论
显微镜图像（）显示，石墨烯颗粒尺寸通常大于LE/LC域，且未观察到LE荧光域与石墨烯颗粒重叠，表明颗粒可能与LC域（富含烃链）优先相互作用。聚苯乙烯微球则未显示与特定DPPC域或石墨烯的固定优先相互作用。
颗粒轨迹分析表明，经漂移校正后，石墨烯和聚苯乙烯颗粒均呈现布朗扩散行为（α ~ 1）。随着DPPC表面浓度从0 mg/m2增加到2.5 mg/m2，石墨烯颗粒的MSD和扩散系数整体下降，这与界面粘度增加导致拖曳力增大预期一致。然而，聚苯乙烯颗粒的扩散性并未随DPPC浓度增加而显著下降，暗示其可能未嵌入膜内而是沿膜扩散。
关键发现来自于实验测得的石墨烯扩散系数与Petrov & Schwille理论预测值的比较。该理论基于Hughes, Pailthorpe, and White (HPW) 流体动力学模型，其核心假设是盘状颗粒完全嵌入膜内，且满足无滑移边界条件。理论预测值在DPPC浓度高于约1.5 mg/m2后急剧下降（多个数量级），而实验值仅缓慢下降约2倍（）。在2.5 mg/m2时，实验扩散系数（~0.035 μm2/s）比理论预测值高出约103倍。
这种巨大的差异表明，HPW模型及其近似所依据的基本假设——颗粒嵌入膜内——并不适用于本实验体系。相反，证据支持石墨烯颗粒并未取代DPPC分子嵌入单层内部，而是主要与DPPC单层的烃链尾部相互作用，并可能在接触面存在滑移。这得到了化学相互作用的支持：非极性的石墨烯通过范德华力与同样非极性的、紧密堆积的LC域烃链发生最大程度的相互作用。这种排列方式（）显著降低了颗粒运动所受的流体动力学阻力，从而导致其扩散速度远快于理论预测。
研究还排除了其他可能导致差异的因素，如颗粒在LE/LC域中的局域化（颗粒通常大于单个域）、颗粒厚度远小于膜厚（在界面粘度很高、Boussinesq数很大时影响微小），或局部膜屈服等。
结论
本研究首次对受控尺寸和形状的石墨烯颗粒在DPPC单层中的扩散性进行了实验测量，填补了二维材料与磷脂膜相互作用实验数据的空白。通过将实验扩散系数与Petrov & Schwille理论预测进行对比，发现两者在高DPPC浓度下存在数量级差异。这强有力地表明，石墨烯在DPPC单层中的排列方式并非如理论模型假设的那样嵌入膜内，而是与膜的烃链尾部结合并可能沿其滑移。这一结论也得到了荧光显微镜观察结果的支持。该发现对现有用于预测生物膜中颗粒扩散的理论模型（HPW）在本体系下的适用性提出了质疑，强调需要开发包含分子层面滑移效应的新模型。本研究建立的实验系统和分析方法，为未来深入探索颗粒尺寸、化学性质、界面制备顺序等因素对二维材料-生物膜相互作用的影响奠定了基础，对于理解二维材料的生物相容性、潜在毒理学效应以及设计相关的生物医学应用具有重要价值。
