大气压低温等离子体与致病菌相互作用机理的理论研究

摘要

近年来，大气压低温等离子体在生物医学领域的应用掀起一股热潮，尤其在灭菌消毒方面，低温等离子体因无毒无副作用、安全无污染、高效可靠等优势备受青睐。特别是当工作气体中掺入适量的反应性气体（如氮气、氧气）后产生的等离子体含大量的活性粒子，用于灭菌消毒时效果更佳。然而目前关于等离子体灭活致病菌的机理研究大多停留在实验阶段，就灭菌机理而言众说纷纭，有关等离子体活性组分与致病菌生物组分相互作用的微观机制尚不清楚，因此亟需寻求能够厘清等离子体灭活致病菌微观机理的新方法。
　　为从分子层面和生化反应角度阐释等离子体灭活致病菌的微观机制，本文针对其中的一系列关键问题开展研究工作，主要内容包括:探索能够表征等离子体灭活致病菌过程的分子模拟方法，构建适当的致病菌分子模型，模拟其与等离子体活性氧粒子间的生化效应，探索活性氧粒子对致病菌的深层灭活机制。主要研究结果如下:
　　(1)基于当前多种主流分子模拟技术，针对分子动力学和反应分子动力学两种方法在大气压等离子体生物医学应用中的适用性深度剖析，为后续研究大气压低温等离子体活性氧粒子灭活致病菌的微观机理奠定理论基础。
　　(2)基于ReaxFF反应分子动力学模拟方法，在PC平台搭建典型致病真菌—白色念珠菌细胞壁的骨架结构:β-1，6-葡聚糖分子，模拟其与等离子体产生的三种活性氧粒子(O、OH、O2)间相互作用的微观过程。结果表明，O2仅能与生物分子间结合非键相互作用，O和OH能与β-1，6-葡聚糖分子发生生化反应，通过破坏重要化学键和引入新官能团的方式造成细胞壁的不可逆损伤。二者在损伤微观机制上存在相似性，区别在于O原子活性更强。
　　(3)基于分子动力学模拟方法，在PC平台搭建致病菌POPC-SPC水细胞膜结构，模拟三种活性氧粒子(O2、OH、H2O2)在细胞膜内穿透过程的微观机制。结果表明，不同种类的活性氧粒子因与POPC结合的相互作用和透膜势垒能量不同，表现出在透膜时的难易程度上差异明显。活性氧粒子透膜时改变了膜的形态特征，致使膜的流动性发生变化。透膜行为提升了细胞内氧化应激水平，加剧了致病菌的消亡。
　　本文借助两种分子模拟技术方法，首次从生化反应角度阐释了大气压低温等离子体灭活白色念珠菌的微观机理。该方法可建立等离子体灭菌消毒微观形貌与宏观特性之间的联系，进而对等离子体生物医学做出更加细化、准确的评估，为大气压低温等离子体灭菌技术的发展和相关灭活机理的完善提供支撑，促进等离子体医学研究的发展。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及研究意义

1．2 大气压低温等离子体及其应用

1．2．1 低温等离子体概述

1．2．2 低温等离子体应用

1．3 等离子体灭活致病菌

1．3．1 等离子体灭活致病菌研究进展

1．3．2 等离子体灭活致病菌机理及存在问题

1．4 分子模拟技术在等离子体医学领域的研究进展

1．5 本论文的主要内容

第二章 分子模拟技术基本理论及计算方法

2．1 分子模拟概述

2．2 分子模拟常用表征方法

2．2．1 量子力学从头算法

2．2．2 半经验法

2．2．3 分子力学

2．2．4 蒙特卡洛

2．2．5 分子动力学

2．2．6 反应分子动力学

2．3 统计系综

2．4 周期性边界条件

2．5 本章小结

第三章 等离子体活性氧粒子灭活白色念珠菌细胞壁的微观机理

3．1 前言

3．2 Materials Studio模拟平台简介

3．3 分子模型搭建及模拟细节

3．3．1 分子模型搭建

3．3．2 模拟细节

3．4 模拟结果分析

3．4．2 C-O键断裂过程

3．4．3 成／断键统计结果

3．5 本章小结

第四章 等离子体活性氧粒子透膜过程的微观动力学研究

4．1 前言

4．2 GROMACS模拟平台简介

4．3 分子模型搭建及模拟细节

4．3．1 分子模型搭建

4．3．2 模拟细节

4．4 模拟结果分析

4．4．1 活性氧粒子动态行为

4．4．2 活性氧粒子与细胞膜结合相互作用

4．4．3 透膜行为对细胞膜厚度的影响

4．5 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文