磷脂的理化特性及其自組裝行為的驅動機制

磷脂是一類含有磷酸基團，同時還包含碳、氫、氧的脂質。其結構由甘油骨架構成，甘油的 1 位和 2 位與脂肪酸鏈酯化相連，而 3 位則連接著一個磷酸基團，該磷酸基團進一步與極性基團（醇類）酯化。極性頭部賦予磷脂分子親水性，而所連接的脂肪酸鏈則賦予其疏水性（非極性區域）。因此，磷脂本質上是兩親性的。連接在甘油部分第二個碳原子上的四種不同官能團使磷脂分子具有手性。所連接的極性頭部、骨架以及脂肪酸側鏈的差異，導致了一系列具有不同性質的磷脂的存在。

2025-09-02 11:05:26AVT73

圖 1. 磷脂的結構特征及不同類型（SM：鞘磷脂，PC：磷脂酰膽堿，C：碳）

磷脂的基本特性

1.1 溶解性

磷脂在水中的溶解度取決于極性頭部基團類型和脂肪酸側鏈長度。根據溶解度，它們可分為以下幾類：（i）1類：不溶性磷脂，不吸水（如蠟）；（ii）2類：在水中會膨脹但溶解度極低的磷脂，如磷脂酰膽堿（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）或鞘磷脂（SM）；（iii）3A類：可溶性磷脂，在低含水量下可形成溶致液晶，如溶血卵磷脂；（iv）3B類：相對罕見，可溶性磷脂在臨界膠束濃度以上形成膠束，但無晶體結構（如皂苷）。

1.2 表面電荷

磷脂在水中分散時所帶的表面電荷取決于極性頭部基團和介質的pH值。在pH值為7 的條件下，含有磷脂酰膽堿（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）頭部基團的磷脂呈中性電荷（兩性離子），而帶有磷脂酰絲氨酸（PS）、磷脂酰肌醇（PI）和磷脂酰甘油（PG）頭部基團的磷脂帶有負電荷。磷脂頭部的正電荷會促進納米顆粒對細胞膜的吸附，并提高細胞攝入率。皮膚細胞的細胞膜帶負電荷，因此表面帶正電荷的納米顆粒（在皮膚環境的pH值下由PE賦予的）會被其吸引，從而增強皮膚滲透性。有研究表明，表面電中性的納米顆粒（由 PC賦予的）在血液中（處于血漿pH值條件下）時，由于與血漿蛋白的結合較少，循環時間更長。帶電荷的納米顆粒則會因被肺、肝、脾攝取而更快被清除。總體而言，表面電荷會影響納米載體與細胞的相互作用、被巨噬細胞的攝取、從溶酶體的逃逸、清除速率以及細胞毒性。

1.3 相變溫度（PTT）

磷脂從凝膠（高度有序）轉變為液晶相（無序）的溫度稱為相變溫度。它取決于極性頭部基團、脂肪酸側鏈的長度、脂肪酸側鏈的飽和度以及磷脂的純度。帶有PE頭部基團的磷脂比含有PC或PG頭部基團的磷脂具有更高的相變溫度。這與前者的頭部基團相互作用更強有關。與含有較短側鏈的磷脂相比，含有較長側鏈的磷脂具有更高的相變溫度，因為需要更多的能量來打斷。同樣，飽和磷脂顯示出更高的相變溫度，含有多不飽和側鏈的磷脂甚至可能顯示出低于0℃的相變溫度。據報道，由低相變溫度（低于37℃）脂質構成的磷脂雙分子層容易泄露，在血液中容易被巨噬細胞攝取。因此，如果期望這些納米顆粒具有更長的循環時間和控釋效果，應優先選擇高相變溫度的脂質；在局部制劑中，由高相變溫度脂質構成的磷脂雙分子層在32℃的皮膚溫度下保持剛性（這是局部藥物遞送所期望的狀態），而由低相變溫度脂質構成的磷脂雙分子層則呈彈性狀態。彈性雙分子層柔韌性極強，能夠輕松穿過角質細胞，深入皮膚各層，從而實現經皮遞送；由相變溫度低于37℃的磷脂形成的囊泡比由具有較高相變溫度的磷脂形成的囊泡更容易被胃腸道環境中的膽汁鹽破壞，可應用于口服途徑遞送。

圖 2. 常見磷脂相變溫度

1.4 多態性

磷脂在水中分散時可以根據水合程度和磷脂類型以不同的形式存在。它們可以形成二維層狀結構或不同的凝膠相，也可以作為三維球形、立方體、六角形或圓柱形結構存在。不同的多態形式在調控藥物釋放和形成的納米組裝體的穩定性方面起著重要作用。形成的結構類型取決于極性頭部基團的大小、側鏈的飽和度、磷脂濃度、溫度、離子強度、pH值，以及是否存在其他分子（如甾體、油類）或二價陽離子（如鈣離子）。

聚集體的類型可通過臨界堆積參數（CPP）來解釋。該參數與脂質的特性、分子形狀以及脂質-水界面的曲率有關，其值為親脂性尾部體積V與脂肪酸鏈長度I和極性頭部占據的表面積A的乘積之比（CPP = V /（A*I））。

（i）溶血磷脂僅含一條脂肪酸側鏈，其極性頭部基團占據的表面積大于單條脂肪酸側鏈的覆蓋面積，分子形狀類似倒錐形。這類脂質的 CPP 值較小：當 CPP＜1/3 時，更易形成球形膠束；當 CPP 處于1/3＜CPP＜1/2 時，更傾向于排列成六角相結構的正相膠束。

（ii）對于帶有 PC、PG、PI、PS 等頭部基團的磷脂，其頭部基團與兩條脂肪酸側鏈所覆蓋的表面積相等，分子形狀可近似為圓柱形。多個圓柱形分子聚集形成雙分子層，進而產生層狀相或脂質體。當CPP處于 1/2＜CPP＜1 時，更易形成閉合囊泡（如 PC、PG、PI、PS 等具有較大頭部基團的雙鏈脂質）；而當 CPP=1 時，則形成開放的雙分子層（如具有較小頭部基團的雙鏈脂質、含飽和鏈的脂質，或高鹽濃度下的陰離子脂質（如 PE））。

（iii）當頭部基團覆蓋的表面積小于脂肪酸側鏈時，分子呈圓錐形。此時CPP＞1 ，會形成單個反相膠束或排列成六角相結構的反相膠束（如具有小頭基團的雙鏈脂類，具有多不飽和鏈的脂類）。詳見圖3。

圖3. 基于臨界堆積參數（CPP）形成不同的磷脂自組裝

磷脂自組裝的理論和驅動力

當磷脂加入到水中時，最初這些分子會在水-空氣界面處排列，極性頭部進入水中，疏水尾部朝向空氣。當磷脂濃度進一步升高，界面處已無足夠空間容納更多分子，因此它們開始向水相內部移動。當達到臨界膠束濃度（CMC），處于平衡狀態時，單個磷脂分子最終會排列形成膠束或雙分子層囊泡。在CMC以下時，這些聚集體的濃度接近于零；而當濃度超過CMC后，隨著更多脂質分子的加入，聚集體的濃度會呈線性增加，如圖4所示。

圖4.（a）將單鏈磷脂添加到溶劑中時形成膠束（b）將含有兩條鏈的磷脂添加到溶劑中時形成囊泡（c）表面張力取決于表面活性劑的濃度，一旦達到臨界膠束形成濃度（CMC），表面張力就會隨著表面活性劑的進一步添加而保持恒定。

多種熱力學參數在脂質從空氣-水界面轉移至水相以及膠束/囊泡結構的形成過程中起著至關重要的作用。靜電作用力、氫鍵和范德華力的綜合平均效應是磷脂雙分子層形成的主要原因。這其中存在兩種相互對抗的力：極性頭部基團的排斥力與脂肪酸側鏈的結合力，它們分別由疏水尾部和親水頭部賦予并相互競爭。脂肪酸側鏈產生疏水作用，而極性頭部基團則負責維持所形成膜的穩定性。當膠束或囊泡形成時，脂肪酸側鏈因其疏水性與外部水環境隔絕；這些急于避開水分的疏水尾部會相互結合。周圍環境的pH值或鹽濃度會顯著改變磷脂自組裝過程中的熱力學特性。在氯化鈉等鹽存在的情況下，帶負電荷脂質的臨界膠束濃度會顯著降低。有研究表明，在5至50℃范圍內，溫度對磷脂膠束的形成沒有影響。膜的不穩定會導致多種功能性后果，如脂質交換、膜分裂與融合。

參考文獻：

Waghule T, Saha RN, Alexander A, Singhvi G. Tailoring the multi-functional properties of phospholipids for simple to complex self-assemblies. J Control Release. 2022 Sep;349:460-474. doi: 10.1016/j.jconrel.2022.07.014.