磷脂双分子层（phospho lipid bilayers）别名脂质双分子层，是构成脂质体、细胞膜、细胞器等结构的基本骨架。它主要由凝脂分子、蛋白质分子以及胆固醇等构成。磷酸甘油酯分子大约占磷脂双分子层的50％以上。磷脂分子是一种由丙三醇、脂肪酸和磷酸等所组成的分子，磷酸“头”部是亲水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。

1935年，英国的丹尼利和达夫森，提出细胞膜基本模型，在这一模型当中，磷脂构成质双分子层，蛋白质流动镶嵌在磷脂双分子层的表面网。1961年，英国学者Bangham和Standish就发现当磷脂分子分散在水中时会自然形成有序排列的类似生物膜结构的多层囊泡，而囊泡的每一脂质层均以有序排列的磷脂双分子构成。

磷脂双分子层是囊泡(脂质体)的重要组成部分。磷脂双分子层对于细胞的各项生命活动有十分重要的意义。为细胞提供了一个稳定的环境，使生命活动能有序进行。其在食品、化妆品和医药中的应用十分广泛。

在二十世纪初，科学家开始相信细胞周围存在薄的油性屏障， 但对这种膜的结构性质尚不清楚。1925年的两次实验奠定了对这一“屏障”研究的基础：通过测量红细胞溶液的电容，雨果·弗里克（Hugo Fricke）确定细胞周围膜的厚度约为3.3纳米。

1935年，Danielli和Davson提出细胞膜基本模型，在这一模型当中，磷脂构成酯质双分子层，蛋白质流动镶嵌在磷脂双分子层的表面网。在后期的研究中，Danielli又提出与磷脂双分子层相结合的蛋白质以β-form存在，并且蛋白质中氨基酸疏水侧链隐藏在膜结构的酯质部分。

1961年，英国学者Bangham和Standish就发现当磷脂分子分散在水中时会自然形成有序排列的类似生物膜结构的多层囊泡，而囊泡的每一脂质层均以有序排列的磷脂双分子构成。1966年，Wallach和Zalller提出具有主导地位的膜蛋白结构模型。这一新模型就是著名的流动镶嵌模型。Danielli和Davson模型中提出的磷脂双分子层被保留，但是新模型中蛋白质分子以两种形式(内在蛋白和外在蛋白存在于磷脂双分子中）。而这些蛋白分子的构象以跨膜的仅α-helices形式存在。

磷脂双分子层由具有“两性”（双亲性、双极性）的磷脂组成。磷脂分子具有亲水性的磷酸酯头部和由两个链状脂肪酸组成的疏水性尾部。头部具有某些特定基团的磷脂可以改变双分子层表面的化学性质，并且具有特殊功能——例如信息传递或固定细胞膜中的其他分子。与头部类似，尾部的脂肪酸也能影响膜的性质，例如影响双分子层的物相。双分子层在较低温度下为固体凝胶状态，而在温度升高后会变为液态。脂质尾部的烃基主要调节双分子层的相态，而头部基团决定其表面化学性质。自然中大多数双分子层主要由磷酸甘油酯组成，但鞘脂和胆固醇之类的固醇通常也是重要的组分。其他头部基团包括磷脂酰丝氨酸（PS）磷脂酰乙醇胺（PE）和磷脂丙三醇（PG）。这些头部基团通常使双分子层具有一些特定生物学功能，例如，在细胞膜外侧存在磷脂酰丝氨酸是红血球细胞凋亡的标志。

双分子层的不对称性至少部分地来源于其形成的方式——大多数磷脂被合成时最初置入内侧单层，而构成外侧单层的通过翻转酶从内单层转运而来；其他脂质，例如鞘磷脂，则是直接在外侧单层合成的。翻转酶是脂质转运分子的一种，其中还包括向相反方向转移脂质的翻转酶和能使两侧的脂质分布随机化（凋亡细胞会发生这样的过程）的磷脂混杂酶。不对称性一旦建立，通常不会在短暂时间内消失，因为脂单层间脂质的自发相互转移极其缓慢。

脂质双分子层的状态主要由相邻脂质分子之间吸引的范德华力的强度决定。较长的烃基具有更多的相互作用区域，相互作用更强，则脂质的流动性更低。因此，在一定温度下，短尾脂质将比其他条件相同的长尾脂质流动性更强。相变温度也受烃基不饱和度的影响。不饱和的双键可在烷烃之间产生扭结的链，破坏脂质分子的紧密排列，产生额外的空间，增加相邻分子间的灵活性。

下图是一个磷脂分子的结构模型。从磷脂分子的结构式，可以看出磷脂分子主要由C、H、O、N以及少量的P组成。磷酸甘油酯可以人工合成，依据加工和漂白的程度不同呈现乳白色，浅黄色或褐色。它易溶于三氯甲烷、乙醚、苯等，不溶于丙酮、水等溶剂。同时，它还可以进行乙酰反应，羟基反应，水解反应，磺化等化学反应。最后，在生物体内磷脂经过各种催化酶的作用可以分解为丙三醇、脂肪酸、磷酸和各种氨基酸。

两个磷脂双层需要在适当的条件下相互靠近，并形成相互接触的局部区域。这个过程通常涉及到膜的弯曲和扭曲，从而使得膜间的距离缩短。

磷脂双层之间的疏水链开始相互交换，这个过程通常需要一定的能量输入，以克服两个双层之间的排斥力，从而使得两个双层之间发生融合。

在融合过程中，两个磷脂双层逐渐融合成为一个大型的双层结构，并且形成一个相互连通的通道。这个过程在生物体内发挥着重要的作用，例如在囊泡运输和突触传递等过程中，都需要磷脂双分子层的融合。此外，磷脂双分子层的融合过程也受到多种因素的调控，包括温度、pH值、离子浓度等环境因素，以及蛋白质分子的作用等。

在物质运输方面，磷脂双分子层对于离子（哪怕是最小的离子H+）是高度不通透的。进出细胞的物质可以通过自由扩散和协助扩散两种方式进行被动运输。自由扩散是指物质通过简单的扩散作用（顺浓度梯度）进出细胞，被扩散的物质（主要是脂溶性物质）通过溶解于磷脂双分子层中进行自由扩散。协助扩散是指进出细胞的物质借助载体蛋白质（顺浓度梯度）扩散。当顺浓度梯度进行被动运输的物质不能自由穿过磷脂双分子层时，则采用协助扩散。

主动运输是指小分子或离子逆浓度梯度运输，需要载体蛋白的协助，同时需要消耗细胞内化学反应所释放的能量。主动运输的实例包括人细胞内K+浓度高于周围环境，Na+浓度低于周围环境，但是细胞仍然从周围环境中主动吸收K+并主动排出Na+。

除了被动运输和主动运输，大分子物质的进出细胞的方式还包括胞吞和胞吐。胞吞是指细胞摄取大分子时，大分子首先附着在细胞膜表面，这部分膜内陷形成小泡包围着大分子，然后小泡从细胞膜上分离下来，形成囊泡进入细胞内部。胞吐是指细胞外排的大分子（如分泌蛋白）先在细胞内形成囊泡，囊泡移动到细胞膜处，与细胞膜融合，将大分子排出细胞。

磷脂双分子层是囊泡(脂质体)的重要组成部分。磷脂双分子层对于细胞的各项生命活动有十分重要的意义。

第一，磷脂双分子层为细胞提供了一个稳定的环境，使生命活动能有序进行。第二，磷脂双分子层是选择透过性膜，它使细胞可以有选择的吸收生命活动需要的养分。第三，磷脂双分子层还提供了细胞之间的交流，例如细胞之间的信息传递和物质传输等。第四，磷脂双分子层还具有半流动性，这是新陈代谢的重要体现。

磷脂双分子层由于其具有许多优良的力学和生物学性能，已经受到学者们的广泛关注。目前对磷脂双分子层薄膜的力学性能的研究主要包括2个方面。 一方面是从微观层次（原子、分子的角度）进行研究。这方面所采用的主要方法是分子动力学、光滑粒子动力学等。另一方面是从宏观层次来进行研究。这方面主要采用经典连续体的方法进行研究。

磷脂双分子层在生物体中最主要的作用是将一部分水溶液与其周围环境分隔开。如果没有能分隔“自身”与“异己”的屏障，甚至有机体和生命的概念都很难定义。目前已知的所有生命形式都以磷脂双分子层作为其与外界的屏障，除了细胞膜为脂单层的少数古菌外。甚至有理论认为，最初的生命形式可能是一种简单的脂质囊泡，其唯一的生物合成是产生更多的磷脂。磷脂双分子层有分隔能力，是因为亲水性分子难以穿过具有疏水性的中心部分。细胞核、线粒体和叶绿体都有两层磷脂双分子层，而其他一些亚细胞结构（例如液泡、内质网、高尔基体和溶酶体）则由单层包围。

磷脂双分子层依靠附着其上的膜蛋白而参与信息传递。膜蛋白是一类非常广泛且重要的生物分子——据估计，人类蛋白质组中可能有多达三分之一的膜蛋白。这些蛋白质中，一些附在细胞膜的表面，例如CD59蛋白，它使细胞被识别为“自身”，从而防止其被免疫系统破坏。HIV能逃避人的免疫系统，部分是依靠从宿主细胞膜中转移这类蛋白质到其自身表面；此外，还有一些膜蛋白贯穿双分子层，并用于将信息从一侧传递到另一侧。这类蛋白质中最常见的是G蛋白偶联受体（GPCR）。细胞与外界信息交流的功能很多都依靠GPCR。由于这一重要作用，大约40％的现代药物都是针对GPCR的。

从原子，分子的角度进行研究。这方面所采用的主要方法是分子动力学、光滑粒子动力学等。Siewert J．Marrink等给出了脂质体的光滑粒子动力学分析的模型，并通过给出的模型计算了脂质体的相关力学性能参数。AlexanderP．Lyubartsev用分子动力学、蒙特卡罗方法对脂质分子及脂质体进行多尺度的数值模拟，研究了脂质分子及脂质双分子层的密度、结构及组成，并给出了脂质分子的自组装过程。此外，还有很多学者研究了磷脂分子层的结构以及一些力学性质。

这方面主要采用经典连续体的方法进行研究。Anne．Florence Bitboll等通过实验和理论相结合的方法研究了在特定PH值的情况下磷脂双分子层薄膜的变形。Peter A．Kralchevsky等研究了磷脂双分子层薄膜的应力问题。W．Helfrichtl等通过实验估算磷脂双分子层薄膜的各项力学性能参数，包括杨氏模量，平面压缩模量，剪切模量等。刘艳辉等研究了磷脂双分子层薄膜的稳定性问题，给出了影响薄膜稳定性的因素。Feng Feng和William S．Klug利用Canham-Helfrich-Evans模型，通过预先给定脂质双分子层薄膜的弯曲模量，然后对薄膜进行有限元分析，得到薄膜的变形特征。William S．Klug等给出了脂质双分子层薄膜的有限元模型，构造了磷脂双分子层薄膜的有限元数值计算框架，研究了脂质双分子层薄膜(囊泡)的不同构型的变化，囊泡的拉伸变形的构型以及囊泡的分离的过程。

Langmuir-Blodgett膜技术是一种将气-液界面的脂单分子层通过多次转移，在固体表面铺展多层脂分子的方法，Tamm 等人将此方法用于亲水的玻片、石英片和硅片等载片上磷脂双分子层的制备。

脂囊泡在一定的条件下可以融合形成膜结构。Brian等人利用脂囊泡在载体表面的融合得到了平面的磷脂双分子层：其具体作法是先将磷脂溶于脱氧胆酸的溶液滴在玻璃皿中，然后将表面处理过的盖玻片盖在磷脂/脱氧胆酸溶液滴上，孵育一定时间后磷脂即在盖玻片向下的表面上形成双层膜，用磷酸盐缓冲液充满玻璃皿，然后在膜表面用载玻片加以保护，并避免与空气的接触，制得的样品用缓冲液渗过两玻片洗涤。

用直接脂囊泡融合技术可较为方便地将蛋白质整合到磷脂双层膜中，Watts等人用此方法制成了嵌合有多肽的载体支承的平面双层膜，用来研究免疫分子之间的相互作用；Sui等人也用此方法制成嵌有胰岛素受体的双层膜，并以此模型来研究胰岛素受体与磷酸甘油酯的相互作用及带有不同电荷的磷脂分子对胰岛素与其受体结合的影响。

Fringeli首先利用脂囊泡与固体支承的单层膜的融合制成了载体支承的平面脂双分子层，其具体作法:是先用脂单层膜技术在表面亲水的固态载片上形成一层疏水脂肪酸链向外的磷脂单层膜，然后在上面滴加脂囊泡使之与单层膜融合，形成脂双分子层。Kalb等人用FRAP方法和全内反射红外显微术(TIRIM)对比了用上述三种方法制成的磷脂双分子层，并用荧光方法研究了脂赛泡与固体支承的磷脂单分子层的融合过程，他们发现荧光探剂NBD-PE在用三种不同方法制成的磷脂双分子层中有同样的侧向扩散系数.Kalb和Tamm，还用此方法将细胞色素b；整合到载体支承的磷脂双层膜中，他们发现在这些双层膜中，部分蛋白具有等同于脂质体中的侧向扩散速率，而另一些蛋白的扩散受到一定的限制。

磷脂双分子层是脂质体的重要组成部分，而脂质体在在食品、化妆品和医药中的应用十分广泛。

食品工业中主要应用脂质体对香料、抗氧化剂、色素、维生素等添加剂进行包覆,既可以起到保护作用，防止变质,延长食品添加剂的使用寿命，又可在适当的情况下把食品添加剂释放出来发挥作用。

(1)制备中湿性食品，许多食品都要求保持一定的含水量，但食物中的水分又常会与微生物作用而使食品变质,如果使用脂质体把水包覆起来既可使食品中的水活性降低，又可使实际含水量并不降低，既可降低食品中水蒸气，抑制食品中微生物生长，又起到保湿延长食品保存期的作用。

(2)对食品添加剂的保护作用，在牛奶加工制备干酪过程中，要加入蛋白质分解酶以促进牛奶蛋白质的发酵分解。如果用脂质体把蛋白质分解酶包覆起来，既可防止蛋白质分解酶流失，又可在干酪成熟而需要蛋白质分解酶发挥作用时从脂质体中释放出来发挥作用。

由于脂质体与人体活细胞膜的成分相似，因此与细胞组织有很强的亲合力。用脂质体可携带亲油脂或亲水的化妆品有效成分(如保湿剂、美白剂、营养剂、维生素等)渗入到皮肤中，并可增强对这些化妆品有效成分的吸收。

人们推测,由于极其细微的脂质体具有与人体表皮皮质十分类似的脂质组成，吸附在表皮部分脂质体会分配或渗透到皮肤角质层中去。虽然尚没有确切的实验证实这点，但可以认为因为脂质体能很好地粘附在角质层的角蛋白上，通过磷脂角蛋白的亲合作用或脂质体的双层脂膜与角质层内脂及蛋白质物质的融合作用，脂质体内蓄积的活性物可以扩散或渗透入角质层，从而有效地改善皮肤的功能和性质，因此脂质体皮肤化妆品要优于传统的皮肤化妆品。如用脂质体把水溶性维生素天然维生素c包覆起来，可增强其对皮肤角质层的渗透性。把超氧化物歧化酶(SOD)用脂质体包覆后涂于皮肤上可增加受损皮脂腺的吸氧能力，防正皮肤老化、对光过敏以及皮肤癌的发生。

磷脂本身具有降低皮肤水分散失、强化皮肤保湿的效果，同时有帮助修复皮肤，促进细胞新陈代谢的作用。有研究表明，用非磷脂膜材料形成的各类脂质体在抗氧化、耐热及活性物传输方面甚至比磷质形成的脂质体性能更好，更适合作皮肤化妆品的包材。

在医药上首先是将脂质体作药物的包覆载体，将抗癌药、抗寄生虫药、重金属离子合剂、激素、维生素、抗体等多种药物形成药物脂质体，并从70年代开始，脂质体已开始作为药物包覆载体使用了。药物脂质体有使药物集中到所需部位的靶向性，因此使用它可减少所需药量，减少药物的毒性副作用,也可提高和延长药效，减缓药物的毒副作用，避免产生抗药性等作用。最成功的例子1977年把抗肝利什曼原虫药锑剂包封,结果使药物在肝脏中抗肝利什曼原虫药锑剂浓度提高200~700倍，疗效提高100倍。近年来用脂质体包封抗癌药物两性霉素B和阿霉素也已取得良好效果。