リン脂質膜と相互作用するナノインデンターとしてのグラフェンの応用 -計算機シミュレーション研究

Application of Graphene as a Nanoindenter Interacting with Phospholipid Membrane - Computer Simulation Study.

• Przemyslaw Raczynski
• Krzysztof Górny
• Piotr Beldowski
• Steven Yuvan
• Zbigniew Dendzik

抄録

2004年にグラフェンが合成されたことで、触媒、オプトエレクトロニクス、バイオテクノロジー、センシングデバイスの開発などへの応用が期待されている。本研究では、グラフェンシートとリン脂質膜の相互作用を分子動力学シミュレーションを用いて調べた。大きさの異なるグラフェンシートを二重膜に挿入し、2m/sと1m/sの2種類の速度で二重膜から離脱させた。その結果、ナノインデンテーションによってリン脂質二重層に大きな損傷を与えるケースもあったが、大幅に劣化しても効果的なセルフシールプロセスが発生していることがわかった。また、インデンテーション時の平均力と仕事量、インデンテーション時の膜のたわみ、引き抜き過程、シートの移動による構造変化についても検討した。これらの量は、薬物送達や他のナノ医療ツールへのグラフェンシートの適合性を評価するために利用されている。これらの結果は、均質・不均質ナノチューブなどの他のナノ構造体で得られた結果と比較している。

Synthesis of graphene in 2004 stimulated wide interest in potential application of 2D materials in catalysis, optoelectronics, biotechnology and construction of sensing devices. In the presented study interactions between graphene sheets and phospholipid bilayers are examined using steered molecular dynamics simulations. Graphene sheets of different sizes were inserted into bilayer and subsequently withdrawn from it at two different rates (1 m/s and 2 m/s). In some cases, nanoindentation led to substantial damage of the phospholipid bilayer, however an effective self-sealing process occurred even after significant degradation. The average force and work, deflection of the membrane during indentation, withdrawal processes, and structural changes caused by moving sheets are discussed. These quantities are utilized to estimate the suitability of graphene sheets for targeted drug delivery or other nanomedicine tools. The results are compared with those obtained for other nanostructures such as homogeneous and heterogeneous nanotubes.