【学术前沿|陆钰 胡国辉】线型聚合物链在半柔性聚合物网络中的扩散
风流知音(FLOWS:Physics & beyond)【学术前沿|陆钰】线型聚合物链在半柔性聚合物网络中的扩散 CFDST(2023年3月23日)1058
线型聚合物链在半柔性聚合物网络中的扩散
Linearpolymer chain diffusion in semiflexible polymer network: A dissipative particledynamics study
陆钰 胡国辉
上海大学 力学与工程科学学院，上海，200042
在拥挤的复杂生物环境中，DNA输运是一个重要且充满广阔生物医学工程应用前景的科学问题。其在转录、转化、循环、基因表达和基因治疗等方面都得到了广泛的应用。当外界的 DNA 穿越细胞膜进入细胞内部后，由交联蛋白质纤维构成的细胞骨架是阻碍 DNA 运动的关键屏障。尽管有大量的实验研究了聚合物链在拥挤环境中的扩散过程，目前仍然缺乏准确的理论模型来刻画聚合物链在复杂介质中的扩散行为，尤其是聚合物链扩散行为与其构象动力学之间的联系。 主要内容：
聚合物链的扩散与构象动力学之间存在着紧密的联系。基于单分子构象追踪（single molecule conformationaltracking，SMCT）技术，大量的实验研究对线型聚合物链在复杂介质的构象动力学进行了深入的分析。这些实验结果均报道了类似的现象，即高浓度中的大分子拥挤会同时抑制了聚合物链的扩散与构象涨落速度。本研究旨在为聚合物链的扩散与构象动力学构建出精确的数学表达，并提出预测聚合物链扩散率的理论模型。 图1：柔性聚合物链（红色）在半柔性聚合物网络（黄色）中的示意图。 在该项研究中，胡国辉团队基于耗散粒子动力学方法，研究了线型聚合物在半柔性聚合物网络中的扩散（见图1）。基于数值模拟结果，发现了影响聚合物链扩散与构象动力学的关键长度尺度，即几何约束长度Na。通过Rouse模态研究了聚合物链的构象动力学。结果表明在短波长上，聚合物链的松弛时间服从Rouse理论。随着波长N/p的增加，以长度尺度Na为界，线型聚合物呈现出从蛇行态到空间均匀态的转变。 通过质心与链段的均方位移和扩散率可以表征聚合物链的扩散行为。链段的扩散率Ds(t)可以被写为有效扩散率DL与Rouse模态相关的扩散率Dr(t)之和。当Ds(t)在转变时间Ts之后收敛至有效扩散率DL时，Dr(t)衰减至0。随后本文提出了描述聚合物链构象动力学的无量纲函数Dr(t)/DL（见图2）。该无量纲函数的时间尺度为扩散率的转变时间Ts，这意味着转变时间Ts连接了聚合物的构象动力学与扩散。利用此无量纲关系，基于数值模拟的结果，本文提出了通过有效扩散率DL的标度律来预测半柔性聚合物网络中的线型聚合物链的扩散。标度律预测的结果与耗散粒子动力学方法的模拟结果符合得较好（见图3）。 
图2：（a）Rouse模态相关的扩散率Dr(t)随时间的变化与（b）无量纲构象动力学函数Dr(t)/DL随归一化时间t/Ts的变化。
图3：理论与数值模拟的扩散率DL的对比。
主要结论：
该研究结果为聚合物链在受限环境中扩散与构象动力学的内在联系提供了精确的数学表达。并推导出了聚合物链有效扩散率的标度律。这项研究有助于加深我们对线型聚合物链在拥挤生物环境中的动力学行为的理解，并为生物医学应用的设计提供理论指导。 论文连接：
https://doi.org/10.1063/5.0130920
第一和通讯作者简介：
陆钰，男，上海大学博士。研究方向为纳米颗粒在复杂介质中的扩散、输运等。已在Soft Matter、Macromolecules、Physics of Fluids等期刊上发表SCI论文3篇，参与国家自然科学基金两项。 
胡国辉，男，1999年在中国科学技术大学获得流体力学博士学位。近年来研究领域为微（纳）米尺度流动和生物流体力学，已主持6项相关国家自然科学基金项目，在国内外学术期刊上发表SCI论文60余篇，与李战华研究员等人合著的《微流控芯片中的流体流动》在国内学术界有一定的影响。申请人曾担任中国力学学会流体力学专业委员会微纳尺度流动专业组副组长。
