Theoretical and numerical investigations on shapes of planar lipid monolayer domains
通过最小化由表面能、线张力能和偶极静电能组成的平面脂质单分子层微区的形成能，对平面脂质单分子层微区在空气-水界面上的扩散进行了理论和数值研究.由形成能的一阶变分导出了描述平衡态下畴边界曲线的形状方程。提出了一种松弛法来求解形状方程的数值解。理论和数值计算结果与已有的实验结果吻合较好。还得到了一些在以往实验中没有观察到的新的形状，有待于今后的实验证实。
2008-12-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Structural properties and Raman spectroscopy of lipid Langmuir monolayers at the air-water interface
获得了十八胺（ODA）单分子膜和卵磷脂（PC）/ODA混合单分子膜在空气-水界面上的光谱。的单分子膜的组织已被其特征在于由表面压力面积等温线。偏光显微镜的应用提供了进一步的洞察领域的结构和相互作用的膜组件。表面增强拉曼散射（SERS）结果表明，表面活性剂的头部基团与亚相银粒子之间存在强相互作用，从而使拉曼光谱增强。通过将ODA与磷脂分子混合，并将混合物铺展在空气-水界面上，利用表面活性剂辅助的SERS效应获得了磷脂分子的振动信息。
2010-09-08 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
Monolayer curvature stabilizes nanoscale raft domains in mixed lipid bilayers
根据脂筏假说，生物脂质膜是横向异质的，并且充满了纳米级有序的“筏”结构域，这些结构域被认为对膜中蛋白质的组织起重要作用。然而，稳定这种小木筏的机制尚不清楚，甚至有时它们的存在也受到质疑。在这里，我们报告的观测筏状结构的粗粒度的多组分脂质双层分子模型。在小尺度上，我们的膜分层成液体有序（lo）和液体无序（ld）相。在大尺度上，相分离被抑制，并在ld环境中让位于包含纳米尺寸lo域的微乳液型状态。此外，我们引入了一种机制，产生筏的有限大小的单层曲率和局部组成之间的耦合。我们发现，在LO和LD相的单分子膜的自发曲率之间的不匹配诱导弹性相互作用，这降低了LO和LD相之间的线张力，可以稳定筏域的特征尺寸为几个纳米的顺序。我们的研究结果表明，筏在多组分双层膜可能是密切相关的调制纹波相位在单组分双层膜。
2013-03-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Domain size polydispersity effects on the structural and dynamical properties in lipid monolayers with phase coexistence
本研究通过Brownian dynamics模拟发现，脂质单层中结构域尺寸多分散性会显著影响相互作用强度的估算，但在特定参数范围内可用单分散模型近似。
2018-02-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Interplay of curvature-induced micro- and nanodomain structures in multicomponent lipid bilayers
我们讨论了不同的机制，曲率诱导域形成多组分脂膜，并提出了一个理论模型，使我们能够研究域之间的相互作用。该模型表示的膜由两个耦合的单层，其中每个携带一个额外的序参量字段描述当地的脂质组成。每个单层的自发曲率耦合到局部组合物，此外，相对单层上的脂质组合物彼此耦合。利用这个模型，我们在平均场近似下计算了双层膜的相行为。所得的相图令人惊讶地复杂，并揭示了各种相和相变，包括修饰的微区相，其中纳米区沿微区边界排列。我们的研究结果表明，外部膜张力可以用来控制多组分脂质双层中的纳米结构域（可能与脂“筏”相关）的横向组织。
2015-11-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Dipolar interactions between domains in lipid monolayers at the air-water interface
各种各样的生物相关的单分子膜呈现相共存，其特征在于由分散在连续的无序相中的有序相状态的脂质形成的域。这些阶段之间的表面密度的差异起源域间偶极相互作用，这是相关的域的空间分布的确定，以及它们的动态。在这项工作中，我们提出了一种新的方式估计偶极排斥使用被动的方法，涉及相共存的单层的图像分析。该方法是基于从实验中获得的对关联函数与从模型系统的布朗动力学模拟中获得的对关联函数的比较。作为一个例子，我们确定了在空气-水界面的DSPC/DMPC的二元单分子膜的偶极密度差的径向分布的域的分析，并与表面电位测定所获得的结果进行了比较。本文对实验中有关参数范围作了系统的分析，可作为计算不同体系偶极排斥力的工作曲线。
2018-02-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Unitary response of solvatochromic dye to pulse excitation in lipid and cell membranes
在空气-水界面处的脂质单分子层中存在声脉冲传播是众所周知的。这些脉冲由脂质膜的热力学状态控制。然而，声脉冲在细胞内和细胞间通讯中的作用仍然是一个有争议的问题。在这里，我们使用的染料二4-ANEPPDHQ，这是已知的是敏感的物理状态和跨膜电位的膜，为了深入了解压缩波在基于脂质的膜界面。将染料掺入到由磷脂酰丝氨酸或磷脂酰胆碱在空气-水界面制成的脂质单层中。当单分子膜的状态从液体膨胀（LE）到液体凝聚（LC）相时，检测到发射光谱的显著蓝移。在使用本体溶剂二甲基亚砜（DMSO）的实验中，二-4-ANEPPDHQ的这种转变敏感性被概括。在溶剂结晶时，发射光谱也经历蓝移。在脂质单层的压缩脉冲，一个显着的荧光响应时，只观察到在主要的过渡制度。这些波的光学特征，在符号和幅度方面，是相同的二-4-ANEPPDHQ在神经元和可兴奋的植物细胞的动作电位过程中的反应。这些发现证实了动作电位是在细胞膜中传播的非线性状态变化的建议。
2022-11-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Towards predicting shear-banding instabilities in lipid monolayers
针对脂质单层凝聚区剪切带失稳缺乏理论描述的问题，本文采用宏观增量稳定性分析并引入 hyperfoam 超弹性本构势，成功预测不同条件下剪切带起始。
2024-01-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Generation of two-dimensional pulses in lipid monolayers by rapid photoswitching
TU Dortmund University（多特蒙德工业大学）
利用光开关脂质的光异构化产生表面压力脉冲，结合非线性分数阶波动方程理论，在自由和受限几何中研究脉冲传播，理论与实验在脉冲速度和形状上定量一致。
2026-06-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Lattice solution model for order-disorder transitions in membranes and Langmuir monolayers
脂质单层和双层已被用作研究膜热转变的实验模型。几种脂质的主要转变发生在环境温度附近，反映了脂质电子链的有序-无序转变，并伴有小的密度间隙。两个系统中的转换之间的等价性已经被几位作者论证过了。许多作者对膜的不同性质，如渗透性、扩散、胆固醇或蛋白质的混合或插入所采用的双态统计模型不足以描述带电膜，因为它缺乏对表面密度的适当描述。我们提出了一个晶格溶液模型，它增加了与水分子的相互作用，脂-脂相互作用，并获得其热性质下的平均场方法。密度的变化，虽然伴随着链顺序的变化，是独立的后者。该模型提出了链序和气-液转变，并扩展了以前的模型的适用范围，在整个压力和面积范围内产生朗缪尔等温线。
2013-11-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Molecular Dynamics simulations and Kelvin Probe Force microscopy to study of cholesterol-induced electrostatic nanodomains in complex lipid mixtures
生物膜和单层内的脂质和蛋白质的分子排列产生复杂的膜形态以及不同的电表面电位、形貌和静电纳米级域的区域。在软物质中探测这些纳米畴是一个具有挑战性的任务，无论是在实验上还是在理论上。本文研究了胆固醇、脂质成分、脂质电荷和脂质相对单层结构和表面电位分布的影响。原子力显微镜（AFM）用于解析拓扑纳米结构，开尔文探针力显微镜（KPFM）用于解析脂质单层中这些纳米结构的表面电势。研究了由二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）、1，2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DOPC）、1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（POPC）、1，2-二油酰-sn-甘油-3-[磷酸-rac-（3-赖氨酰（1-甘油））]（DOPG）、鞘磷脂和胆固醇组成的模型单层。结果表明，胆固醇改变纳米结构域的形成，影响地形和电表面电位。用原子分子动力学（MD）研究了表面电位差异的分子基础。MD模拟定性匹配的实验结果，与100 mV的液体无序双层（Ld，更少的胆固醇和较低的链序）和液体有序双层（Lo，更多的胆固醇和更高的链序）之间的静电势差。重要的是，Lo和Ld相之间的静电性质的差异表明了一种新的机制，通过这种机制，膜组成与膜功能相结合。
2016-11-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Local stress in cylindrically curved lipid membrane: insights into local versus global lateral fluidity models
本研究针对脂质膜横向剪切模量难以确定的问题，通过分子动力学模拟分析圆柱弯曲膜局部应力，验证全局流动性模型（单分子层厚度积分消失而非局部模量为零），为膜弹性建模及生物过程模拟提供关键依据。
2024-10-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Dynamics of an asymmetric bilayer lipid membrane in a viscous solvent
双层脂质膜（BLM）是许多生物系统的重要组成部分，在细胞和周围环境之间形成功能屏障。当膜从结构扰动松弛时，松弛的动力学取决于双层结构。我们提出了一个模型的BLM在粘性溶剂中，包括一个明确的描述的“厚”膜，其中单层小叶的厚度的波动耦合到该单层内的脂质密度的变化。我们发现色散关系描述了三种直观形式的双层运动，包括一个模式描述运动的单层间表面没有注意到以前在文献中。两个内在的长度尺度出现，有助于解释的动力学;众所周知的萨夫曼-德尔布鲁克长度和另一个，$\ell_r$，由单层间的摩擦。该框架还允许单层小叶之间的BLM参数的不对称性，这被发现耦合双层运动的动态模式。
2015-06-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Influence of Lipid Heterogeneity and Phase Behavior on Phospholipase A2 Action at the Single Molecule Level
我们监测行动的磷脂酶A2（PLA 2）的L-和D-二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）朗缪尔单分子膜上安装一个朗缪尔槽宽场荧光显微镜与单分子灵敏度。这使得有可能直接可视化活性水解过程中在异质脂质环境中单个PLA 2分子的活性和扩散行为。实验表明，酶分子吸附和相互作用几乎完全与DPPC单分子膜的流体区域。域的凝胶状态L-DPPC的降解完全从凝胶-流体界面，其中带负电荷的水解产物，脂肪酸盐的积累，导致在流动性的PLA 2的变化。单个酶的单分子膜上的流动性，其特征在于通过单粒子跟踪（SPT）。吸附到流体界面的酶的扩散系数在L-DPPC单层上为3 μ m^2/s，在D-DPPC单层上为4.6 μ m^2/s。在富含水解产物的区域中，扩散下降到约10%。0.2μ m^2/s。此外，在发生水解的L-DPPC凝胶域边界处观察到较慢的正常和异常扩散模式。酶在单层的流体区域中和在产物域上的平均停留时间在约100 - 150分钟之间。在凝胶域，它低于实验时间分辨率，即酶简单地从凝胶域反射回溶液中。
2009-07-30 physics.bio-ph
Phase Phenomena in Supported Lipid Films under Varying Electric Potential
我们支持的脂质膜上的循环伏安法实验模型的电容上施加的电压的一个非平凡的依赖性被观察到。以前，基于平均场处理的Flory-Huggins型，在强屏蔽静电相互作用的假设下，已经假设，在电容-电压曲线中的峰对应于界面内的结构或相变的序列。为了检验这一假设，在这项研究中，我们使用平均场计算和蒙特卡罗模拟的静电效应，由于不同的电势和盐的存在明确占。我们的主要重点是对膜的结构和解吸-再吸附现象。这些被发现是由脂烃尾部和电极反离子（阳离子）之间的逐步充电（疏水）表面的强烈竞争所驱动的。随着表面电荷密度的增加，可以清楚地观察到界面内的以下相现象：（i）通过抗衡离子使单层从表面逐渐位移，导致完全的单层脱附并通过表面形成双电层，（ii）在其脱附时单层转化为双层，（iii）在两性离子（或强极性）脂质头部基团的情况下，解吸之后是通过与双电层的相互作用双层再吸附到电极上，并将过量的抗衡离子释放到本体溶液中。然后，我们认为，伏安峰与形成交替电荷层的逐步过程：双电层-膜解吸，三层或多层-膜readsoption。
2010-07-27 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Thermo-mechanic-electrical coupling in phospholipid monolayers near the critical point
脂质单分子膜已被证明是研究脂质膜的机械和热力学性质以及它们与蛋白质相互作用的有力工具。本文用Einstein的涨落理论证明，实验导出的跃迁熵S与面积A以及跃迁熵与电荷q之间的线性关系意味着压缩系数κ T、热容c π、热膨胀系数α T与电容CT之间的线性关系。我们证明，这些耦合具有很强的预测能力，因为它们允许计算的电气和热性能的机械测量。随着临界点TC的接近，预报精度逐渐提高。
2010-05-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Anionic nanoparticle-lipid membrane interactions: the protonation of anionic ligands at the membrane surface reduces membrane disruption
单层保护的金纳米颗粒（Au NPs）由于其生物相容性和多功能性，在诊断和治疗方面具有应用前景。在这里，我们展示了NP表面功能化如何驱动与脂质膜相互作用的机制。特别是，我们表明，NP表面上的阴离子羧基的自发质子化可以使NP-膜相互作用更快，破坏性更小。
2019-05-30 physics.bio-ph q-bio.BM
Propagation of a Thermo-mechanical Perturbation on a Lipid Membrane
本文研究了声波在以水为载体的脂单分子膜上的传播。由于脂质膜的体积、面积和可压缩性的变化具有生物相关性，因此观察到的声音传播是至关重要的。然而，它是未知的会发生在脂质双层，这是一个更近似的模型的细胞膜。为了回答这个相关问题，我们建立了一个实验装置来组装长人工脂质膜。我们发现，如果这些膜被加热，以迫使局部熔化，热机械扰动传播了很长的距离。我们的研究结果可能支持孤立波的存在，假设解释传播的等熵信号与动作电位在神经元中。
2017-05-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Solvent-free coarse-grained lipid model for large-scale simulations
提出了一种由球形粒子和取向矢量组成的粗粒度分子模型，用于在大尺度上模拟脂质膜。溶剂隐含地由粒子之间的有效吸引相互作用表示。双层结构是由取向相关（倾斜和弯曲）的潜力。在该模型中，膜的性质（弯曲刚度，膜边缘的线张力，面积压缩模量，横向扩散系数，和翻转率）可以在很宽的范围内变化。通过液滴-囊泡转变研究了双层膜的稳定性。单层膜的自发曲率的增加可以引起双层膜的破裂和蠕虫状胶束的形成。
2010-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Budding Transition of Asymmetric Two-component Lipid Domains
我们提出了一个模型，占萌芽过渡的不对称双组分脂质结构域，其中两个单层（小叶）有不同的平均组成由独立的化学势控制。假设在每个小叶中的局部曲率和局部脂质组成之间的耦合，我们讨论了不对称脂质域的形态和热力学行为。膜自由能包含三个贡献：弯曲能，线张力，和横向相分离的朗道自由能。在一个平均场处理，我们得到各种相图包含完全出芽，酒窝，和平坦的状态作为两个小叶组合物的函数。分析了系统的整体相行为，根据系统参数，相图分为单相区、两相区和三相区。特别是，我们预测不同形态的域，这可能是在多组分膜或囊泡中观察到的各种相共存区域。
2016-08-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Presence of a Spatially Varying Electric Field at Lipid-Water Interface with Na/K ratio in Water
本文利用XRR和NEXAFS研究DPPC单分子层在不同Na/K比下的离子-脂质界面，发现阳离子比例变化导致膜刚性、键能非线性响应，揭示界面存在空间变化结构化电场，对理解细胞膜具有重要意义。
2024-09-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
A mesoscale model for quantitative phospholipid monolayer simulations at the air-water interface
本文提出一种基于多体耗散粒子动力学的介观模型，用于定量模拟空气-水界面磷脂单层，与实验和全原子模拟一致，并适用于混合磷脂体系。
2021-03-29 physics.bio-ph physics.chem-ph
Measuring the mechanical properties of asymmetric membranes in computer simulations -- new methods and insights
本研究提出一种测量非对称膜弹性参数的新模拟方法，可获取标准模拟无法得到的自发曲率等参数，揭示了膜密度接近转变密度时的相分离与密度-曲率耦合机制及其细胞过程意义。
2025-05-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Particle-based membrane model for mesoscopic simulation of cellular dynamics
我们提出了一个简单的和计算效率高的粗粒度和无溶剂的模型来模拟脂质双层膜。为了与基于粒子的反应扩散模拟配合使用，该模型纯粹基于相互作用和反应粒子，每个粒子代表脂质单层的粗糙补丁。粒子的相互作用包括最近邻键拉伸和角度弯曲，并被参数化，以便再现由Helfrich能量密度在相关曲率范围内给出的局部膜力学。面内流动性的实现与蒙特卡洛键翻转移动。该模型的物理准确性通过五个测试进行验证：（i）平衡热波动的功率谱分析用于验证基于粒子的表示正确捕获流体膜的连续模型预测的动态。(ii)它被验证，输入弯曲刚度，对潜在的参数进行优化，准确地恢复。(iii)等温面积的膜的压缩模量的计算和示出是可调的，以重现不同的脂质双层的可用值，独立的弯曲刚度。(iv)模拟重力作用下的二维剪切流动，测量膜模型的有效面内粘度，并显示具有指定粘度的膜建模的可能性。(v)双层膜与球形纳米颗粒的相互作用被建模为大的膜变形和细胞过程，如胞吞作用中涉及的出芽的测试情况下…
2018-01-29 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
