低维纳米材料与生物细胞相互作用模拟分析

摘要

纳米材料的细胞摄取是纳米药物运输与释放的重要环节，研究纳米颗粒与细胞膜及其内外环境的相互作用越来越重要。金纳米颗粒由于其优异的物理化学性质及良好的生物相容性，已经被广泛应用于靶向药物运输、癌症治疗以及生物检测等领域。然而，人们对金纳米颗粒作为载体在微观下的运动机理还没有系统的认识，因此，本论文采用粗粒度分子动力学方法对表面带有配体的金纳米颗粒的细胞摄取过程进行了模拟研究。 首先建立了以烷烃为配体的金纳米颗粒的粗粒度模型，配体末端被带正电的粗粒度粒子所取代来模拟功能团的作用。采用了最近被报道的含有63种类型脂质分子的更为真实复杂的细胞膜模型来研究两者的相互作用。模拟结果表明表面带正电的金纳米颗粒可以直接穿过细胞膜，并在穿膜之后贴附在内层膜表面，这与实验现象十分吻合。同时基于简化模型研究了金纳米颗粒与细胞膜之间的相互作用，发现表面带正电的金纳米颗粒只有在一定强度的电场作用下才能穿膜。 然后进一步考察了不同表面带电密度的金纳米颗粒与细胞膜之间的相互作用，发现表面带80%左右正电荷的金纳米颗粒具有相对高的穿膜速率和较低的细胞毒性，在纳米级别的药物运输方面具有很好的应用前景。构建了不同长径比的圆柱形金纳米颗粒模型来研究纳米颗粒形状尺寸以及初始位置对其与细胞膜相互作用的影响，发现长径比越大，金纳米颗粒被包裹程度越高，而金纳米颗粒的初始位置对穿膜过程基本没有影响。最后，由于先前研究表明细胞质中含量丰富的谷胱甘肽可以替换掉金纳米颗粒表面带正电荷的配体。考虑了谷胱甘肽的作用之后，本文在上述穿膜的基础上进行了连续的模拟。发现谷胱甘肽对金纳米颗粒在细胞内由穿膜到释放的过程中起到了重要的作用。模拟结果揭示了金纳米颗粒在细胞摄取过程中直接穿过细胞膜并释放到细胞内部的运动机理。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.2 纳米颗粒在生物医学中的应用

1.3 金纳米颗粒与细胞膜简介

1.4 本文的研究背景及意义

2 分子动力学模拟方法

2.1 分子动力学简介

2.2 分子动力学的基本原理

2.3 分子动力学的基本概念

2.4 原子间相互作用势

2.5 控温控压方法

2.6 平均力势能

2.7 本章小结

3 计算模型的构建

3.1 金纳米颗粒的全原子模型

3.2 粗粒度模型

3.3 柱状金纳米颗粒

3.4 细胞膜模型

3.5 模拟设置

3.6 本章小结

4 金纳米颗粒与细胞膜之间的相互作用

4.1 金纳米颗粒直接穿膜过程

4.2 膜结构对模拟结果的影响

4.3 金纳米颗粒表面带电密度的影响

4.4 金纳米颗粒的形状尺寸和位置效应

4.5 本章小结

5 金纳米颗粒的穿透到释放过程

5.1 谷胱甘肽简介

5.2 谷胱甘肽主导的金纳米颗粒细胞内释放过程

5.3 谷胱甘肽作用下的金纳米颗粒带负电密度的影响

5.4 金纳米颗粒穿膜的总过程

5.5 本章小结

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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