磷脂雙分子層（phospholipid bilayers）別名脂質雙分子層，是構成脂質體、細胞膜、細胞器等結構的基本骨架。它主要由凝脂分子、蛋白質分子以及膽固醇等構成。磷酸甘油酯分子占了磷脂雙分子層的50%~60%。組成細胞膜的磷脂分子和蛋白質分子大都是可以運動的，這種結構特點使細胞膜具有一定的流動性，主要體現在變形蟲捕食和運動時偽足的形成、白細胞能夠通過變形運動吞噬病菌、動物細胞分裂時細胞膜的縊裂過程，人——鼠細胞雜交試驗、受精時細胞的融合過程等實例。磷脂分子是一種由丙三醇、脂肪酸和磷酸等所組成的分子，磷酸“頭”部是親水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。
1935年，英國的丹尼利和達夫森，提出細胞膜基本模型，在這一模型當中，磷脂構成酯[zhǐ]質雙分子層，蛋白質流動鑲嵌在磷脂雙分子層的表面網。1961年，英國學者Bangham和Standish就發現當磷脂分子分散在水中時會自然形成有序排列的類似生物膜結構的多層囊泡，而囊泡的每一脂質層均以有序排列的磷脂雙分子構成。
磷脂雙分子層是囊泡(脂質體)的重要組成部分。磷脂雙分子層為細胞提供了一個穩定的環境，使生命活動能有序進行。它是選擇透過性膜，使細胞可以有選擇性的吸收生命活動需要的養分，并提供了細胞之間的信息和物質交流。其在食品、化妝品和醫藥中的應用十分廣泛。
起源發現
在二十世紀初，科學家開始相信細胞周圍存在薄的油性屏障， 但對這種膜的結構性質尚不清楚。1925年的兩次實驗奠定了對這一“屏障”研究的基礎：通過測量紅細胞溶液的電容，雨果·弗里克（Hugo Fricke）確定細胞周圍膜的厚度約為3.3納米。
1935年，Danielli和Davson提出細胞膜基本模型，在這一模型當中，磷脂構成酯質雙分子層，蛋白質流動鑲嵌在磷脂雙分子層的表面網。在后期的研究中，Danielli又提出與磷脂雙分子層相結合的蛋白質以β-form存在，并且蛋白質中氨基酸疏水側鏈隱藏在膜結構的酯質部分。
1961年，英國學者Bangham和Standish就發現當磷脂分子分散在水中時會自然形成有序排列的類似生物膜結構的多層囊泡，而囊泡的每一脂質層均以有序排列的磷脂雙分子構成。1966年，Wallach和Zalller提出具有主導地位的膜蛋白結構模型。這一新模型就是著名的流動鑲嵌模型。Danielli和Davson模型中提出的磷脂雙分子層被保留，但是新模型中蛋白質分子以兩種形式(內在蛋白和外在蛋白存在于磷脂雙分子中）。而這些蛋白分子的構象以跨膜的僅α-helices形式存在。
組成與結構
磷脂雙分子層由具有“兩性”（雙親性、雙極性）的磷脂組成。磷脂分子由親水性的磷酸酯頭部（朝外）和兩個鏈狀脂肪酸構成的疏水性尾部（朝內）組成，其排列構成基本框架，形成封閉的液態膜結構。頭部具有某些特定基團的磷脂可以改變雙分子層表面的化學性質，并且具有特殊功能——例如信息傳遞或固定細胞膜中的其他分子。與頭部類似，尾部的脂肪酸也能影響膜的性質，例如影響雙分子層的物相。雙分子層在較低溫度下為固體凝膠狀態，而在溫度升高后會變為液態。脂質尾部的烴基主要調節雙分子層的相態，而頭部基團決定其表面化學性質。自然中大多數雙分子層主要由磷酸甘油酯組成，但鞘脂和膽固醇之類的固醇通常也是重要的組分。其他頭部基團包括磷脂酰絲氨酸（PS）磷脂酰乙醇胺（PE）和磷脂酰[xiān]丙三醇（PG）。這些頭部基團通常使雙分子層具有一些特定生物學功能，例如，在細胞膜外側存在磷脂酰絲氨酸是紅血球細胞凋亡的標志。
雙分子層的不對稱性至少部分地來源于其形成的方式——大多數磷脂被合成時最初置入內側單層，而構成外側單層的通過翻轉酶從內單層轉運而來；其他脂質，例如鞘磷脂，則是直接在外側單層合成的。翻轉酶是脂質轉運分子的一種，其中還包括向相反方向轉移脂質的翻轉酶和能使兩側的脂質分布隨機化（凋亡細胞會發生這樣的過程）的磷脂混雜酶。不對稱性一旦建立，通常不會在短暫時間內消失，因為脂單層間脂質的自發相互轉移極其緩慢。
脂質雙分子層的狀態主要由相鄰脂質分子之間吸引的范德華力的強度決定。較長的烴基具有更多的相互作用區域，相互作用更強，則脂質的流動性更低。因此，在一定溫度下，短尾脂質將比其他條件相同的長尾脂質流動性更強。相變溫度也受烴基不飽和度的影響。不飽和的雙鍵可在烷烴之間產生扭結的鏈，破壞脂質分子的緊密排列，產生額外的空間，增加相鄰分子間的靈活性。
下圖是一個磷脂分子的結構模型。從磷脂分子的結構式，可以看出磷脂分子主要由C、H、O、N以及少量的P組成。磷酸甘油酯可以人工合成，依據加工和漂白的程度不同呈現乳白色，淺黃色或褐色。它易溶于三氯甲烷、乙醚、苯等，不溶于丙酮、水等溶劑。同時，它還可以進行乙酰反應，羥基反應，水解反應，磺化等化學反應。最后，在生物體內磷脂經過各種催化酶的作用可以分解為丙三醇、脂肪酸、磷酸和各種氨基酸。
融合過程
磷脂雙層的相互接近
兩個磷脂雙層需要在適當的條件下相互靠近，并形成相互接觸的局部區域。這個過程通常涉及到膜的彎曲和扭曲，從而使得膜間的距離縮短。
疏水鏈的交換
磷脂雙層之間的疏水鏈開始相互交換，這個過程通常需要一定的能量輸入，以克服兩個雙層之間的排斥力，從而使得兩個雙層之間發生融合。
磷脂雙層的融合
在融合過程中，兩個磷脂雙層逐漸融合成為一個大型的雙層結構，并且形成一個相互連通的通道。這個過程在生物體內發揮著重要的作用，例如在囊泡運輸和突觸傳遞等過程中，都需要磷脂雙分子層的融合。此外，磷脂雙分子層的融合過程也受到多種因素的調控，包括溫度、pH值、離子濃度等環境因素，以及蛋白質分子的作用等。
運輸方式
被動運輸
在物質運輸方面，磷脂雙分子層對于離子（哪怕是最小的離子H+）是高度不通透的。進出細胞的物質可以通過自由擴散和協助擴散兩種方式進行被動運輸。自由擴散是指物質通過簡單的擴散作用（順濃度梯度）進出細胞，被擴散的物質（主要是脂溶性物質）通過溶解于磷脂雙分子層中進行自由擴散。協助擴散是指進出細胞的物質借助載體蛋白質（順濃度梯度）擴散。當順濃度梯度進行被動運輸的物質不能自由穿過磷脂雙分子層時，則采用協助擴散。
主動運輸
主動運輸是指小分子或離子逆濃度梯度運輸，需要載體蛋白的協助，同時需要消耗細胞內化學反應所釋放的能量。主動運輸的實例包括人細胞內K+濃度高于周圍環境，Na+濃度低于周圍環境，但是細胞仍然從周圍環境中主動吸收K+并主動排出Na+。
胞吞和胞吐
除了被動運輸和主動運輸，大分子物質的進出細胞的方式還包括胞吞和胞吐。胞吞是指細胞攝取大分子時，大分子首先附著在細胞膜表面，這部分膜內陷形成小泡包圍著大分子，然后小泡從細胞膜上分離下來，形成囊泡進入細胞內部。胞吐是指細胞外排的大分子（如分泌蛋白）先在細胞內形成囊泡，囊泡移動到細胞膜處，與細胞膜融合，將大分子排出細胞。
功能
磷脂雙分子層是囊泡(脂質體)的重要組成部分。磷脂雙分子層對于細胞的各項生命活動有十分重要的意義。
第一，磷脂雙分子層為細胞提供了一個穩定的環境，使生命活動能有序進行。第二，磷脂雙分子層是選擇透過性膜，它使細胞可以有選擇的吸收生命活動需要的養分。第三，磷脂雙分子層還提供了細胞之間的交流，例如細胞之間的信息傳遞和物質傳輸等。第四，磷脂雙分子層還具有半流動性，這是新陳代謝的重要體現。
磷脂雙分子層由于其具有許多優良的力學和生物學性能，已經受到學者們的廣泛關注。目前對磷脂雙分子層薄膜的力學性能的研究主要包括2個方面。 一方面是從微觀層次（原子、分子的角度）進行研究。這方面所采用的主要方法是分子動力學、光滑粒子動力學等。另一方面是從宏觀層次來進行研究。這方面主要采用經典連續體的方法進行研究。
分隔作用
磷脂雙分子層在生物體中最主要的作用是將一部分水溶液與其周圍環境分隔開。如果沒有能分隔“自身”與“異己”的屏障，甚至有機體和生命的概念都很難定義。目前已知的所有生命形式都以磷脂雙分子層作為其與外界的屏障，除了細胞膜為脂單層的少數古菌外。甚至有理論認為，最初的生命形式可能是一種簡單的脂質囊泡，其唯一的生物合成是產生更多的磷脂。磷脂雙分子層有分隔能力，是因為親水性分子難以穿過具有疏水性的中心部分。細胞核、線粒體和葉綠體都有兩層磷脂雙分子層，而其他一些亞細胞結構（例如液泡、內質網、高爾基體和溶酶體）則由單層包圍。
訊息傳遞
磷脂雙分子層依靠附著其上的膜蛋白而參與信息傳遞。膜蛋白是一類非常廣泛且重要的生物分子——據估計，人類蛋白質組中可能有多達三分之一的膜蛋白。這些蛋白質中，一些附在細胞膜的表面，例如CD59蛋白，它使細胞被識別為“自身”，從而防止其被免疫系統破壞。HIV能逃避人的免疫系統，部分是依靠從宿主細胞膜中轉移這類蛋白質到其自身表面；此外，還有一些膜蛋白貫穿雙分子層，并用于將信息從一側傳遞到另一側。這類蛋白質中最常見的是G蛋白偶聯受體（GPCR）。細胞與外界信息交流的功能很多都依靠GPCR。由于這一重要作用，大約40％的現代藥物都是針對GPCR的。
研究方法
微觀層次
從原子，分子的角度進行研究。這方面所采用的主要方法是分子動力學、光滑粒子動力學等。Siewert J．Marrink等給出了脂質體的光滑粒子動力學分析的模型，并通過給出的模型計算了脂質體的相關力學性能參數。AlexanderP．Lyubartsev用分子動力學、蒙特卡羅方法對脂質分子及脂質體進行多尺度的數值模擬，研究了脂質分子及脂質雙分子層的密度、結構及組成，并給出了脂質分子的自組裝過程。此外，還有很多學者研究了磷脂分子層的結構以及一些力學性質。
宏觀層次
這方面主要采用經典連續體的方法進行研究。Anne．Florence Bitboll等通過實驗和理論相結合的方法研究了在特定PH值的情況下磷脂雙分子層薄膜的變形。Peter A．Kralchevsky等研究了磷脂雙分子層薄膜的應力問題。W．Helfrichtl等通過實驗估算磷脂雙分子層薄膜的各項力學性能參數，包括楊氏模量，平面壓縮模量，剪切模量等。劉艷輝等研究了磷脂雙分子層薄膜的穩定性問題，給出了影響薄膜穩定性的因素。Feng Feng和William S．Klug利用Canham-Helfrich-Evans模型，通過預先給定脂質雙分子層薄膜的彎曲模量，然后對薄膜進行有限元分析，得到薄膜的變形特征。William S．Klug等給出了脂質雙分子層薄膜的有限元模型，構造了磷脂雙分子層薄膜的有限元數值計算框架，研究了脂質雙分子層薄膜(囊泡)的不同構型的變化，囊泡的拉伸變形的構型以及囊泡的分離的過程。
人造雙分子層
平面支承雙層膜
Langmuir-Blodgett膜技術是一種將氣-液界面的脂單分子層通過多次轉移，在固體表面鋪展多層脂分子的方法，Tamm 等人將此方法用于親水的玻片、石英片和硅片等載片上磷脂雙分子層的制備。
脂囊泡直接融合技術
脂囊泡在一定的條件下可以融合形成膜結構。Brian等人利用脂囊泡在載體表面的融合得到了平面的磷脂雙分子層：其具體作法是先將磷脂溶于脫氧膽酸的溶液滴在玻璃皿中，然后將表面處理過的蓋玻片蓋在磷脂/脫氧膽酸溶液滴上，孵育一定時間后磷脂即在蓋玻片向下的表面上形成雙層膜，用磷酸鹽緩沖液充滿玻璃皿，然后在膜表面用載玻片加以保護，并避免與空氣的接觸，制得的樣品用緩沖液滲過兩玻片洗滌。
用直接脂囊泡融合技術可較為方便地將蛋白質整合到磷脂雙層膜中，Watts等人用此方法制成了嵌合有多肽的載體支承的平面雙層膜，用來研究免疫分子之間的相互作用；Sui等人也用此方法制成嵌有胰島素受體的雙層膜，并以此模型來研究胰島素受體與磷酸甘油酯的相互作用及帶有不同電荷的磷脂分子對胰島素與其受體結合的影響。
間接脂囊泡融合技術
Fringeli首先利用脂囊泡與固體支承的單層膜的融合制成了載體支承的平面脂雙分子層，其具體作法:是先用脂單層膜技術在表面親水的固態載片上形成一層疏水脂肪酸鏈向外的磷脂單層膜，然后在上面滴加脂囊泡使之與單層膜融合，形成脂雙分子層。Kalb等人用FRAP方法和全內反射紅外顯微術(TIRIM)對比了用上述三種方法制成的磷脂雙分子層，并用熒光方法研究了脂賽泡與固體支承的磷脂單分子層的融合過程，他們發現熒光探劑NBD-PE在用三種不同方法制成的磷脂雙分子層中有同樣的側向擴散系數.Kalb和Tamm，還用此方法將細胞色素b；整合到載體支承的磷脂雙層膜中，他們發現在這些雙層膜中，部分蛋白具有等同于脂質體中的側向擴散速率，而另一些蛋白的擴散受到一定的限制。
應用領域
磷脂雙分子層是脂質體的重要組成部分，而脂質體在在食品、化妝品和醫藥中的應用十分廣泛。
食品工業中應用
食品工業中主要應用脂質體對香料、抗氧化劑、色素、維生素等添加劑進行包覆,既可以起到保護作用，防止變質,延長食品添加劑的使用壽命，又可在適當的情況下把食品添加劑釋放出來發揮作用。
(1)制備中濕性食品，許多食品都要求保持一定的含水量，但食物中的水分又常會與微生物作用而使食品變質,如果使用脂質體把水包覆起來既可使食品中的水活性降低，又可使實際含水量并不降低，既可降低食品中水蒸氣，抑制食品中微生物生長，又起到保濕延長食品保存期的作用。
(2)對食品添加劑的保護作用，在牛奶加工制備干酪過程中，要加入蛋白質分解酶以促進牛奶蛋白質的發酵分解。如果用脂質體把蛋白質分解酶包覆起來，既可防止蛋白質分解酶流失，又可在干酪成熟而需要蛋白質分解酶發揮作用時從脂質體中釋放出來發揮作用。
化妝品行業的應用
由于脂質體與人體活細胞膜的成分相似，因此與細胞組織有很強的親合力。用脂質體可攜帶親油脂或親水的化妝品有效成分(如保濕劑、美白劑、營養劑、維生素等)滲入到皮膚中，并可增強對這些化妝品有效成分的吸收。
人們推測,由于極其細微的脂質體具有與人體表皮皮質十分類似的脂質組成，吸附在表皮部分脂質體會分配或滲透到皮膚角質層中去。雖然尚沒有確切的實驗證實這點，但可以認為因為脂質體能很好地粘附在角質層的角蛋白上，通過磷脂角蛋白的親合作用或脂質體的雙層脂膜與角質層內脂及蛋白質物質的融合作用，脂質體內蓄積的活性物可以擴散或滲透入角質層，從而有效地改善皮膚的功能和性質，因此脂質體皮膚化妝品要優于傳統的皮膚化妝品。如用脂質體把水溶性維生素天然維生素c包覆起來，可增強其對皮膚角質層的滲透性。把超氧化物歧化酶(SOD)用脂質體包覆后涂于皮膚上可增加受損皮脂腺的吸氧能力，防正皮膚老化、對光過敏以及皮膚癌的發生。
磷脂本身具有降低皮膚水分散失、強化皮膚保濕的效果，同時有幫助修復皮膚，促進細胞新陳代謝的作用。有研究表明，用非磷脂膜材料形成的各類脂質體在抗氧化、耐熱及活性物傳輸方面甚至比磷質形成的脂質體性能更好，更適合作皮膚化妝品的包材。
醫藥上的應用
在醫藥上首先是將脂質體作藥物的包覆載體，將抗癌藥、抗寄生蟲藥、重金屬離子合劑、激素、維生素、抗體等多種藥物形成藥物脂質體，并從70年代開始，脂質體已開始作為藥物包覆載體使用了。藥物脂質體有使藥物集中到所需部位的靶向性，因此使用它可減少所需藥量，減少藥物的毒性副作用,也可提高和延長藥效，減緩藥物的毒副作用，避免產生抗藥性等作用。最成功的例子1977年把抗肝利什曼原蟲藥銻劑包封,結果使藥物在肝臟中抗肝利什曼原蟲藥銻劑濃度提高200~700倍，療效提高100倍。近年來用脂質體包封抗癌藥物兩性霉素B和阿霉素也已取得良好效果。
參考資料 >
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外膜囊泡的物質傳遞及細菌保護作用研究進展.中國知網.2024-02-06
基于原子力顯微鏡研究生物分子及其相互作用.中國知網.2024-02-06
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