The rate of production of carbon-ba

The rate of production of carbon-based nanoparticles (e.g., C60 fullerenes and carbon nanotubes), and hence the rate of their introduction into the environment, is increasing rapidly. Additionally, a wide variety of compounds incorporating carbon nanoparticles, particularly fullerenes, for biomedical and drug-delivery applications have either been developed or are under development.1-6 Studies have revealed that through chemical modification it is possible to control the time for excretion of water-soluble fullerenes from the body. Furthermore, with appropriate modification, fullerene molecules can migrate through the entire body, including the blood−brain barrier, without adsorbing serum proteins.7-9 Examples of biomedical applications of fullerene molecules include DNA-modified fullerenes that target double-stranded DNA and cleave it,10 HIV protease inhibitors,11 skin cancer treatments,7 vectors for transfection with potential application in gene therapy of diseases,12 antioxidant drugs for neurodegenerative diseases,3,13-16 and efficient contrast agents for magnetic resonance imaging.17
Whenever any synthetic material is introduced into a biological system, either through design or through environmental uptake, issues of biocompatibility and potential deleterious health effects are of paramount importance. A few studies of the interaction of carbon nanoparticles with proteins and nucleotides have been reported.18,19 While there is still controversy as to whether pristine C60 and its derivatives are health and environmentally dangerous20 there is strong evidence that fullerenes can be cytotoxic21-23 and that the exposure of living cells to C60 fullerene derivatives and that their aggregates can result in disruption of the cell membrane due to lipid peroxidation.24 An improved fundamental understanding of interactions between fullerenes and cell membranes is central to understanding potential deleterious effects of fullerenes and fullerene-based molecules on living cells as well as to help in the design of effective nanoparticle-based biomaterials. Recently, we have shown through molecular dynamics (MD) simulation studies that because of their size (approximately 1 nm in diameter) and strong van der Waals (dispersion) interactions (due to a high density of surface atoms), fullerenes behave neither like classical hydrophobic molecules nor like hydrophobic surfaces.25-27 We found that association of a pair of C60 fullerenes is dominated by the strong direct fullerene−fullerene attractive interactions. Surprisingly, water-induced interactions between the fullerenes were found to be repulsive. Specifically, it was found that the high atomic density on the fullerene surface gives rise to highly favorable water−fullerene interactions due to strong carbon−water dispersion interactions. The energetic origin of this water-induced repulsive interaction between the carbon nanoparticles is in stark contrast to the entropy-driven association observed for conventional hydrophobic nonpolar organic solutes.
To investigate the implications of the unique properties of fullerenes on their interaction with and passive transport into lipid membranes, we have conducted all-atom MD simulations of a C60 fullerene in a fully hydrated di-myristoyl-phoshatidylcholine (DMPC) lipid membrane. To date computational studies of molecule transport in lipid membranes have been primarily limited to small molecules.28-44 A few atomistic simulations studies45,46 have looked at the interaction of carbon-based nanoparticles with model cell membranes but have not addressed the permeability of these nanoparticles through cell membrane. Only two simulation works address issues of permeability of fullerenes through model cell membranes. The first employed a coarse-grained model to investigate the transport of model nanoparticles (fullerene-like) through a model lipid membrane.47 While this work showed some qualitative consistency with atomistic simulations discussed below the results of these simulations should be taken with caution due to relatively crude representation of water and lipid molecules. The second study utilized atomistic simulations to compare transport of C60 and C60(OH)20 from water into a di-palmitoyl-phosphatidylcholine (DPPC) bilayer48 and found that a pristine fullerene can readily “jump” into the bilayer and translocate through membrane, while C60(OH)20 was not able to do so over the entire length of the simulation. The authors explained the observed difference in the ability of the pristine and OH-modified fullerenes to penentrate into the bilayer by analyzing the potential of mean force (PMF) acting on the fullerene as a function of its position relative to the bilayer center of mass. However, as we discuss below, the PMF obtained from that work is inconsistent with our data as well as experimental data on solubility of fullerenes in different environments.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

อัตราการผลิตของคาร์บอนตามเก็บกัก (เช่น C60 fullerenes และคาร์บอน nanotubes), และดังนั้น ผู้แนะนำเข้าสู่สิ่งแวดล้อม อัตราการเพิ่มอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ ความหลากหลายของเพจเก็บกักคาร์บอน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง fullerenes สำหรับสารประกอบทางชีวการแพทย์ และจัดส่งยาเสพติดได้รับการพัฒนาอย่างใดอย่างหนึ่ง หรืออยู่ภายใต้ development.1-6 การศึกษาได้เปิดเผยว่า ผ่านการเปลี่ยนแปลงทางเคมี จะสามารถควบคุมเวลาในการขับถ่ายของ fullerenes ที่ละลายในจากร่างกาย นอกจากนี้ มีการปรับเปลี่ยนที่เหมาะสม ฟูลเลอรีนโมเลกุลสามารถย้ายผ่านร่างกายทั้งหมด รวมถึงอุปสรรค blood−brain ไม่ adsorbing proteins.7-9 ตัวอย่างของโปรแกรมประยุกต์ทางชีวการแพทย์ของฟูลเลอรีนโมเลกุลรวม fullerenes ปรับเปลี่ยนดีเอ็นเอที่ควั่นคู่ดีเอ็นเอเป้าหมาย และ cleave มัน 10 เอชไอวีรติเอส inhibitors เซรั่ม 11 ผิวรักษามะเร็ง ยาต้านอนุมูลอิสระ 12 สำหรับโรค neurodegenerative เวกเตอร์ 7 การ transfection ด้วยโปรแกรมประยุกต์อาจเกิดขึ้นในยีนบำบัดโรค , 3, 13-16 และตัวแทนของความแตกต่างที่มีประสิทธิภาพสำหรับการสั่นพ้องแม่เหล็ก imaging.17เมื่อใดก็ ตามที่เป็นนำวัสดุสังเคราะห์ใด ๆ เข้าสู่ระบบชีวภาพ ผ่านออก หรือ ผ่านการดูด ซับสิ่งแวดล้อม ปัญหาของ biocompatibility และผลกระทบสุขภาพร้ายอาจเกิดขึ้นได้ของ paramount ศึกษาไม่กี่ของการโต้ตอบของการเก็บกักคาร์บอนกับโปรตีนและนิวคลีโอไทด์มี reported.18,19 ในขณะมีถกเถียงยังกับว่า C60 บริสุทธิ์และอนุพันธ์มีสุขภาพ และสิ่งแวดล้อม dangerous20 มี ฐานว่า fullerenes สามารถ cytotoxic21-23 และที่เปิดเผยชีวิตเซลล์การอนุพันธ์ฟูลเลอรีน C60 และว่า ผลของพวกเขาสามารถทำทรัพยของเยื่อเซลล์เนื่องจากไขมัน peroxidation.24 ระหว่าง fullerenes เข้าใจพื้นฐานการปรับปรุง และ เยื่อหุ้มเซลล์เป็นศูนย์กลางอาจร้ายผลของ fullerenes และโมเลกุลตามฟูลเลอรีนชีวิตเซลล์ด้วยเพื่อช่วยในการออกแบบของผู้ตาม nanoparticle มีประสิทธิภาพการทำความเข้าใจ เมื่อเร็ว ๆ นี้ เราได้แสดงผ่านโมเลกุล dynamics (MD) ศึกษาการจำลองที่ขนาดของพวกเขา (ประมาณ 1 nm เส้นผ่านศูนย์กลาง) และโต้ตอบแรง van der Waals (เธน) (เนื่องจากความสูงความหนาแน่นของอะตอมผิว), fullerenes โมเลกุล hydrophobic คลาสสิกไม่เช่นที่ทำงานหรือ ไม่เช่น surfaces.25-27 hydrophobic ที่เราพบที่ความสัมพันธ์ของคู่ของ C60 fullerenes ถูกครอบงำ โดยการโต้ตอบที่น่าสนใจโดยตรง fullerene−fullerene แข็งแรง จู่ ๆ น้ำที่เกิดจากการโต้ตอบระหว่าง fullerenes ที่พบจะเป็น repulsive โดยเฉพาะ พบว่า ไฮเด็นอะตอมบนพื้นผิวฟูลเลอรีนก่อให้โต้ตอบ water−fullerene สูงอันเนื่องจากแรง carbon−water กระจายตัวโต้ตอบ ต้นกำเนิดมีพลังของนี้ทำให้เกิดน้ำ repulsive โต้ตอบระหว่างการเก็บกักคาร์บอนได้ในความแตกต่างสิ้นเชิงกับสมาคมควบคุม entropy ที่สังเกตสำหรับธรรมดา hydrophobic solutes อินทรีย์ nonpolarTo investigate the implications of the unique properties of fullerenes on their interaction with and passive transport into lipid membranes, we have conducted all-atom MD simulations of a C60 fullerene in a fully hydrated di-myristoyl-phoshatidylcholine (DMPC) lipid membrane. To date computational studies of molecule transport in lipid membranes have been primarily limited to small molecules.28-44 A few atomistic simulations studies45,46 have looked at the interaction of carbon-based nanoparticles with model cell membranes but have not addressed the permeability of these nanoparticles through cell membrane. Only two simulation works address issues of permeability of fullerenes through model cell membranes. The first employed a coarse-grained model to investigate the transport of model nanoparticles (fullerene-like) through a model lipid membrane.47 While this work showed some qualitative consistency with atomistic simulations discussed below the results of these simulations should be taken with caution due to relatively crude representation of water and lipid molecules. The second study utilized atomistic simulations to compare transport of C60 and C60(OH)20 from water into a di-palmitoyl-phosphatidylcholine (DPPC) bilayer48 and found that a pristine fullerene can readily “jump” into the bilayer and translocate through membrane, while C60(OH)20 was not able to do so over the entire length of the simulation. The authors explained the observed difference in the ability of the pristine and OH-modified fullerenes to penentrate into the bilayer by analyzing the potential of mean force (PMF) acting on the fullerene as a function of its position relative to the bilayer center of mass. However, as we discuss below, the PMF obtained from that work is inconsistent with our data as well as experimental data on solubility of fullerenes in different environments.

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

อัตราการผลิตอนุภาคคาร์บอนที่ใช้ ( เช่น ฟูลเลอรีนคาร์บอนและ C60 ) , และด้วยเหตุนี้อัตราแนะนำของพวกเขาในสภาพแวดล้อมที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ ความหลากหลายของสารประกอบผสมผสานอนุภาคนาโนคาร์บอนโดยเฉพาะคาร์บอนเพื่อการแพทย์ และการส่งมอบยาได้ถูกพัฒนาหรืออยู่ภายใต้การพัฒนา1-6 มีการศึกษาพบว่าผ่านการดัดแปรทางเคมีเป็นไปได้ที่จะควบคุมเวลาสำหรับการขับถ่ายของคาร์บอนละลายน้ำจากร่างกาย นอกจากนี้ มีการปรับเปลี่ยนที่เหมาะสม ฟลูเลอรีนโมเลกุลสามารถอพยพผ่านร่างกายทั้งหมด รวมทั้ง บริษัท เวสเทิร์น เลือดสมองอุปสรรคโดยไม่ต้องดูดซับโปรตีนเซรั่มตัวอย่างของการประยุกต์ใช้ชีวการแพทย์ที่มีของโมเลกุล DNA ที่ประกอบด้วยคาร์บอนฟูลเลอรีนดัดเกลียวดีเอ็นเอเป้าหมายสองครั้งและ protease inhibitors ฉีก 10 ต่อ 11 โรคมะเร็งผิวหนังรักษา 7 เวกเตอร์ขนาดกลางที่มีศักยภาพการใช้ยีนบำบัดในโรค 12 ยาต้านโรค Neurodegenerative 3,13-16 และมีประสิทธิภาพ , ตัวแทนความคมชัดสำหรับการสร้างภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็ก17
เมื่อสังเคราะห์วัสดุใด ๆที่เป็นที่รู้จักในระบบชีวภาพ ผ่านการออกแบบ หรือผ่านการใช้สิ่งแวดล้อม ปัญหาสุขภาพและผลกระทบที่อาจเกิดขึ้น biocompatibility คงเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด ไม่กี่การศึกษาปฏิสัมพันธ์ของโปรตีนและคาร์บอนนาโนกับเราได้รับ reported.18 ,19 ในขณะที่ยังคงมีการโต้เถียงว่า C60 เก่าแก่และอนุพันธ์ มี สุขภาพ และสิ่งแวดล้อม dangerous20 มีหลักฐานที่แข็งแกร่งที่สามารถ cytotoxic21-23 คาร์บอนและการเปิดรับของเซลล์ที่มีชีวิตเพื่อ C60 ต่อเยอรมันอนุพันธ์และมวลรวมของพวกเขาสามารถผลในการหยุดชะงักของเยื่อหุ้มเซลล์ เนื่องจากการเกิด lipid peroxidation24 การเพิ่มพื้นฐานความเข้าใจของปฏิสัมพันธ์ระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์และคาร์บอนเป็นศูนย์กลางอาจส่งผลต่อความเข้าใจของคาร์บอนฟูลเลอรีนตามคงและโมเลกุลในเซลล์ที่มีชีวิต รวมทั้งช่วยในการออกแบบสำหรับประสิทธิภาพจากวัสดุชีวภาพ . เมื่อเร็วๆ นี้เราได้แสดงผ่านการจำลองพลศาสตร์เชิงโมเลกุล ( MD ) ศึกษาว่า เนื่องจากขนาดของพวกเขา ( ประมาณ 1 นาโนเมตรในเส้นผ่าศูนย์กลาง ) และแรงแวนเดอวาลส์ ( กระจาย ) ปฏิสัมพันธ์ ( เนื่องจากความหนาแน่นสูงของอะตอมบนพื้นผิว ) ฟูลเลอรีนทำตัวไม่เหมือนโมเลกุล ) คลาสสิกหรือเหมือนพื้นผิว ) .ครั้งที่เราพบว่า ความสัมพันธ์ของคู่ของ C60 ฟูลเลอรีน dominated โดยตรง แข็งแรง ฟลูเลอรีน−ต่อเยอรมันมีเสน่ห์เพิ่มขึ้น จู่ ๆน้ำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างคาร์บอนพบว่าอยู่ที่น่ารังเกียจ โดยเฉพาะพบว่า ความหนาแน่นของอะตอมสูงบนพื้นผิวต่อเยอรมันให้สูงขึ้นในมงคลสูงน้ำ บริษัท เวสเทิร์น ฟลูเลอรีนการโต้ตอบเนื่องจากแรงคาร์บอนน้ำกระจาย บริษัท เวสเทิร์น การโต้ตอบ ที่มาแรงของน้ำนี้เกิดจากปฏิสัมพันธ์น่ารังเกียจระหว่างคาร์บอนนาโนอยู่ในสิ้นเชิงกับเอนโทรปีขับเคลื่อนสมาคม ) สารอินทรีย์แบบไม่มีขั้ว )
.เพื่อศึกษาผลกระทบของ คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของคาร์บอนในการโต้ตอบกับและ passive การขนส่งในเยื่อไขมัน เราได้ดำเนินการทุกอะตอม MD จำลองของ C60 ต่อเยอรมันในเต็ม hydrated ดี myristoyl phoshatidylcholine ( dmpc ) ของเยื่อแผ่น วันที่คำนวณการศึกษาโมเลกุลไขมันเป็นหลักในการขนส่งเมมเบรนจำกัด โมเลกุลขนาดเล็ก28-44 เป็นแบบจำลองปรมาณูไม่กี่ studies45,46 มองปฏิกิริยาของคาร์บอนนาโนกับเยื่อหุ้มเซลล์ตามรูปแบบ แต่ไม่ได้ระบุค่าการซึมผ่านของอนุภาคเหล่านี้ผ่านเซลล์เมมเบรน เพียงสองจำลองงานแก้ไขปัญหาความซึมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ของคาร์บอนแบบครั้งแรกที่ใช้เป็นแบบที่มีเนื้อหยาบเพื่อตรวจสอบการขนส่งอนุภาคนาโนแบบฟลูเลอรีนชอบ ) โดยรูปแบบของ membrane.47 ในขณะที่ทำงานพบคุณภาพสอดคล้องกับแบบจำลองปรมาณูกล่าวถึงด้านล่างผลลัพธ์ของแบบจำลองเหล่านี้ควรจะดำเนินการด้วยความระมัดระวัง เนื่องจากการแสดงค่อนข้างดิบของน้ำและไขมันโมเลกุลการทดลองใช้แบบจำลองปรมาณูเปรียบเทียบและการขนส่ง C60 C60 ( OH ) 20 จากน้ำในดิ palmitoyl ฟอสฟาติดิลโคลีน ( dppc ) bilayer48 และพบว่าฟลูเลอรีนเก่าแก่พร้อมสามารถ " กระโดด " เข้าสู่และผ่านเมมเบรนสองชั้นโยกย้ายในขณะที่ C60 ( OH ) 20 ไม่สามารถทำได้มากกว่าความยาวทั้งหมดของ การจําลองผู้เขียนอธิบายว่า ความแตกต่างในความสามารถของที่เก่าแก่และโอแก้ไขเพื่อ penentrate เป็นคาร์บอนสองชั้นโดยการวิเคราะห์ศักยภาพหมายถึงบังคับ ( PMF ) รักษาการในฟูลเลอรีนเป็นฟังก์ชันของตำแหน่งสัมพัทธ์กับสองชั้น ศูนย์กลางของมวล แต่ที่เรากล่าวถึงด้านล่างในระบบที่ได้จากงานที่สอดคล้องกับข้อมูล รวมทั้งข้อมูลเกี่ยวกับการละลายของคาร์บอนในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน