journal article·2025Open access

The role of polymer coatings in lipid membrane penetration by graphene oxide dots

Giulia Frigerio, Paulo Siani, Edoardo Donadoni, Qiang Cui, Cristiana Di Valentin

Nanoscale· Volume 17· Issue 33

Abstract

Understanding the cell membrane penetration process of biomedical nanosystems and its dependence on nanomaterial properties and surface functionalization is crucial for the rational design of safe and efficient cellular internalization strategies. Computer simulations are powerful tools to evaluate the thermodynamic aspects of the process and to elucidate its underlying molecular mechanisms. In this work, the interaction between uncoated or polymer-coated graphene oxide (GO) dots and lipid bilayer models is investigated by coarse-grained (CG) molecular dynamics (MD) simulations. We first validate the coarse-grained model against all-atom MD simulations (AAMD). Then, we perform CGMD simulations and free energy calculations to assess the effect of the polymeric coating and of its features (grafting density, polymer end-group charge and polymer hydrophilic/hydrophobic character) on the interaction between GO dots of realistic size and lipid membranes. We find that the membrane penetration of GO dots is spontaneous when coated with a low-density polyethylene glycol (PEG) layer, while a high-density PEG coating prevents the penetration, and a mixed PEG/polyethylene (PE) coating excessively stabilizes the nanosystem in the inner membrane region. These findings will help to fine-tune how GO dots interact with cellular membranes.
Source: openalex_inverted_index · Quality: candidate unverified · Source record ↗

Research context

OpenAlex topics: Graphene and Nanomaterials Applications · Carbon and Quantum Dots Applications · Electrochemical sensors and biosensors

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Materials Science, University of Milano-Bicocca, via R. Cozzi 55, I-20125 Milan, Italy

Department of Chemistry, Boston University, 590 Commonwealth Ave, Boston, MA 02215, USA

BioNanoMedicine Center NANOMIB, University of Milano-Bicocca, Italy

Funding

Ministero dell'Università e della Ricerca

References (100+)

Show source-provided references
1. Chen · Chem. Rev. · 2012 · 112 · 602710.1021/cr300115g ↗
2. Panwar · Chem. Rev. · 2019 · 119 · 955910.1021/acs.chemrev.9b00099 ↗
3. Karki · J. Mater. Chem. B · 2020 · 8 · 811610.1039/D0TB01149E ↗
4. An · Int. J. Nanomed. · 2015 · 10 · 910.2147/IJN.S88285 ↗
5. Wilhelm · Nat. Rev. Mater. · 2016 · 1 · 1601410.1038/natrevmats.2016.14 ↗
6. Siani · Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. · 2022 · 1864 · 18376310.1016/j.bbamem.2021.183763 ↗
7. Meng · Biomaterials · 2018 · 174 · 4110.1016/j.biomaterials.2018.04.056 ↗
8. Liu · Nanoscale · 2021 · 13 · 929310.1039/D1NR01014J ↗
9. Siani · J. Phys. Chem. C · 2023 · 127 · 923610.1021/acs.jpcc.2c08988 ↗
10. Motta · Nanoscale · 2021 · 13 · 1300010.1039/D1NR01972D ↗
11. Motta · Nanoscale · 2023 · 15 · 790910.1039/D3NR00397C ↗
12. Frigerio · Nanoscale · 2024 · 16 · 406310.1039/D3NR05123D ↗
13. Donadoni · Nanoscale · 2024 · 16 · 910810.1039/D4NR00495G ↗
14. De Souza · J. Phys. Chem. B · 2017 · 121 · 851210.1021/acs.jpcb.7b04824 ↗
15. Zhang · NPG Asia Mater. · 2021 · 13 · 5210.1038/s41427-021-00320-0 ↗
16. Kostarelos · Science · 2014 · 344 · 26110.1126/science.1246736 ↗
17. Tu · Adv. Mater. · 2018 · 30 · 170670910.1002/adma.201706709 ↗
18. Frost · Nano Lett. · 2012 · 12 · 335610.1021/nl203107k ↗
19. Li · J. Phys. Chem. C · 2013 · 117 · 1615010.1021/jp405991q ↗
20. Wu · J. Am. Chem. Soc. · 2015 · 137 · 1005210.1021/jacs.5b03803 ↗
21. Chen · J. Phys. Chem. B · 2021 · 125 · 358910.1021/acs.jpcb.1c02500 ↗
22. Wang · RSC Adv. · 2013 · 3 · 1577610.1039/c3ra40392k ↗
23. Liu · Langmuir · 2015 · 31 · 1207610.1021/acs.langmuir.5b02414 ↗
24. Hu · Nanoscale · 2015 · 7 · 1802510.1039/C5NR05401J ↗
25. Chen · J. Phys. Chem. C · 2016 · 120 · 622510.1021/acs.jpcc.5b10635 ↗
26. Tu · Nat. Nanotechnol. · 2013 · 8 · 59410.1038/nnano.2013.125 ↗
27. Zhu · J. Colloid Interface Sci. · 2023 · 637 · 11210.1016/j.jcis.2023.01.080 ↗
28. Luo · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 1453710.1038/ncomms14537 ↗
29. Chen · Sci. Adv. · 2019 · 5 · eaaw319210.1126/sciadv.aaw3192 ↗
30. Duan · Nanoscale · 2015 · 7 · 1521410.1039/C5NR01839K ↗
31. Kiew · J. Controlled Release · 2016 · 226 · 21710.1016/j.jconrel.2016.02.015 ↗
32. Ghosh · Int J Nanomedicine · 2020 · 15 · 599110.2147/IJN.S249717 ↗
33. Akhavan · Small · 2013 · 9 · 359310.1002/smll.201203106 ↗
34. Bidram · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2018 · 10 · 4352310.1021/acsami.8b17531 ↗
35. Pei · Sci. Rep. · 2020 · 10 · 110.1038/s41598-019-56847-4 ↗
36. Sun · Nano Res. · 2008 · 1 · 20310.1007/s12274-008-8021-8 ↗
37. Miao · Biomaterials · 2013 · 34 · 340210.1016/j.biomaterials.2013.01.010 ↗
38. Xu · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2014 · 6 · 1726810.1021/am505308f ↗
39. Xu · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2015 · 7 · 135510.1021/am507798d ↗
40. Luo · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2015 · 7 · 523910.1021/am5084607 ↗
41. Alkilany · Adv. Drug Delivery Rev. · 2019 · 143 · 2210.1016/j.addr.2019.05.010 ↗
42. Xiao · J. Nanobiotechnol. · 2010 · 8 · 1310.1186/1477-3155-8-13 ↗
43. Monticelli · J. Chem. Theory Comput. · 2012 · 8 · 137010.1021/ct3000102 ↗
44. Simonelli · J. Phys. Chem. Lett. · 2015 · 6 · 317510.1021/acs.jpclett.5b01469 ↗
45. Salassi · J. Phys. Chem. C · 2017 · 121 · 1092710.1021/acs.jpcc.6b12148 ↗
46. Salassi · RSC Adv. · 2019 · 9 · 1399210.1039/C9RA02462J ↗
47. Das · J. Phys. Chem. B · 2019 · 123 · 1054710.1021/acs.jpcb.9b08259 ↗
48. Lunnoo · J. Phys. Chem. C · 2019 · 123 · 380110.1021/acs.jpcc.8b07616 ↗
49. Lunnoo · J. Phys. Chem. B · 2020 · 124 · 189810.1021/acs.jpcb.9b11600 ↗
50. Canepa · J. Phys. Chem. Lett. · 2021 · 12 · 858310.1021/acs.jpclett.1c02077 ↗
51. Ivanov · J. Comput. Chem. · 2024 · 45 · 136410.1002/jcc.27310 ↗
52. Willems · ACS Nano · 2017 · 11 · 161310.1021/acsnano.6b07352 ↗
53. Williams · 2D Mater. · 2020 · 7 · 02502510.1088/2053-1583/ab6f0c ↗
54. Wu · Adv. Funct. Mater. · 2022 · 32 · 220580210.1002/adfm.202205802 ↗
55. Liu · Cancer Nanotechnol. · 2021 · 12 · 110.1186/s12645-020-00071-7 ↗
56. Ruiz · Carbon · 2015 · 82 · 10310.1016/j.carbon.2014.10.040 ↗
57. Meng · Carbon · 2017 · 117 · 47610.1016/j.carbon.2017.02.061 ↗
58. Marrink · J. Phys. Chem. B · 2007 · 111 · 781210.1021/jp071097f ↗
59. Monticelli · J. Chem. Theory Comput. · 2008 · 4 · 81910.1021/ct700324x ↗
60. De Jong · J. Chem. Theory Comput. · 2013 · 9 · 68710.1021/ct300646g ↗
61. Yesylevskyy · PLoS Comput. Biol. · 2010 · 6 · e100081010.1371/journal.pcbi.1000810 ↗
62. van Meer · Nat. Rev. Mol. Cell Biol. · 2008 · 9 · 11210.1038/nrm2330 ↗
63. Larson · ACS Nano · 2012 · 6 · 918210.1021/nn3035155 ↗
64. Frigerio · J. Controlled Release · 2025 · 379 · 34410.1016/j.jconrel.2025.01.020 ↗
65. van Teijlingen · Acc. Chem. Res. · 2023 · 56 · 64410.1021/acs.accounts.2c00810 ↗
66. Graham · J. Chem. Inf. Model. · 2017 · 57 · 65010.1021/acs.jcim.7b00096 ↗
67. Grünewald · Nat. Commun. · 2022 · 13 · 6810.1038/s41467-021-27627-4 ↗
68. Grunewald · J. Phys. Chem. B · 2018 · 122 · 743610.1021/acs.jpcb.8b04760 ↗
69. Panizon · J. Phys. Chem. B · 2015 · 119 · 820910.1021/acs.jpcb.5b03611 ↗
70. Titov · ACS Nano · 2010 · 4 · 22910.1021/nn9015778 ↗
71. https://github.com/Tsjerk/Insane
72. Bussi · J. Chem. Phys. · 2007 · 126 · 01410110.1063/1.2408420 ↗
73. Parrinello · J. Appl. Phys. · 1981 · 52 · 718210.1063/1.328693 ↗
74. Hockney · J. Comput. Phys. · 1974 · 14 · 14810.1016/0021-9991(74)90010-2 ↗
75. Darden · J. Chem. Phys. · 1993 · 98 · 1008910.1063/1.464397 ↗
76. Abraham · SoftwareX · 2015 · 1–2 · 1910.1016/j.softx.2015.06.001 ↗
77. Wu · J. Comput. Chem. · 2014 · 35 · 199710.1002/jcc.23702 ↗
78. Jo · Biophys. J. · 2009 · 97 · 5010.1016/j.bpj.2009.04.013 ↗
79. Berendsen · J. Chem. Phys. · 1984 · 81 · 368410.1063/1.448118 ↗
80. Kumar · J. Comput. Chem. · 1992 · 13 · 101110.1002/jcc.540130812 ↗
81. Roux · Comput. Phys. Commun. · 1995 · 91 · 27510.1016/0010-4655(95)00053-I ↗
82. Hub · J. Chem. Theory Comput. · 2010 · 6 · 371310.1021/ct100494z ↗
83. Romo · J. Comput. Chem. · 2014 · 35 · 230510.1002/jcc.23753 ↗
84. Michaud-Agrawal · J. Comput. Chem. · 2011 · 32 · 231910.1002/jcc.21787 ↗
85. R.Gowers , M.Linke , J.Barnoud , T.Reddy , M.Melo , S.Seyler , J.Domański , D.Dotson , S.Buchoux , I.Kenney and O.Beckstein
86. https://cgmartini.nl/docs/downloads/tools/other-tools.html
87. Vögele · J. Phys. Chem. B · 2016 · 120 · 872210.1021/acs.jpcb.6b05102 ↗
88. Linke · J. Phys. Chem. Lett. · 2018 · 9 · 287410.1021/acs.jpclett.8b01090 ↗
89. Humphrey · J. Mol. Graphics · 1996 · 14 · 3310.1016/0263-7855(96)00018-5 ↗
90. Van Der Heijden · Environ. Sci. Technol. · 2009 · 43 · 885410.1021/es902278x ↗
91. Marcano · ACS Nano · 2010 · 4 · 480610.1021/nn1006368 ↗
92. Ma · ACS Nano · 2015 · 9 · 1049810.1021/acsnano.5b04751 ↗
93. Paulista Neto · J. Phys. Chem. B · 2018 · 122 · 257810.1021/acs.jpcb.8b00311 ↗
94. Jin · J. Phys. Chem. C · 2018 · 122 · 406310.1021/acs.jpcc.7b12017 ↗
95. Szabo · Carbon · 2020 · 160 · 14510.1016/j.carbon.2020.01.022 ↗
96. Xu · ACS Nano · 2016 · 10 · 326710.1021/acsnano.6b00539 ↗
97. Jan · Int. J. Nanomed. · 2014 · 425710.2147/IJN.S66768 ↗
98. Zhang · J. Mater. Chem. B · 2013 · 1 · 74910.1039/C2TB00096B ↗
99. Awoonor-Williams · Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. · 2016 · 1858 · 167210.1016/j.bbamem.2015.12.014 ↗
100. Olsen · Biophys. J. · 2013 · 105 · 183810.1016/j.bpj.2013.08.042 ↗