Rupture of Lipid Membranes Induced by Amphiphilic Janus Nanoparticles

两亲性 纳米颗粒 脂质双层 杰纳斯 纳米技术 杰纳斯粒子 粒子(生态学) 材料科学 双层 表面电荷 生物膜 化学 生物物理学 物理化学 生物化学 复合材料 地质学 海洋学 生物 聚合物 共聚物
作者
Kwahun Lee,Liuyang Zhang,Yi Yi,Xianqiao Wang,Yan Yu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:12 (4): 3646-3657 被引量:63
标识
DOI:10.1021/acsnano.8b00759
摘要

The surface coatings of nanoparticles determine their interaction with biomembranes, but studies have been limited almost exclusively to nanoparticles with a uniform surface chemistry. Although nanoparticles are increasingly made with complex surface chemistries to achieve multifunctionalities, our understanding of how a heterogeneous surface coating affects particle–biomembrane interaction has been lagging far behind. Here we report an investigation of this question in an experimental system consisting of amphiphilic "two-faced" Janus nanoparticles and supported lipid membranes. We show that amphiphilic Janus nanoparticles at picomolar concentrations induce defects in zwitterionic lipid bilayers. In addition to revealing the various effects of hydrophobicity and charge in particle–bilayer interactions, we demonstrate that the Janus geometry—the spatial segregation of hydrophobicity and charges on particle surface—causes nanoparticles to bind more strongly to bilayers and induce defects more effectively than particles with uniformly mixed surface functionalities. We combine experiments with computational simulation to further elucidate how amphiphilic Janus nanoparticles extract lipids to rupture intact lipid bilayers. This study provides direct evidence that the spatial arrangement of surface functionalities on a nanoparticle, rather than just its overall surface chemistry, plays a crucial role in determining how it interacts with biological membranes.
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