用于生物体系的几种典型纳米材料的计算模拟研究

摘要

纳米生物材料与生物分子之间的相互作用机制的研究对生物材料的研发及临床上的成功使用具有重大的意义。计算模拟为研究分子和原子水平上的相互作用提供了一种有效的方法。本研究利用分子动力学（MD)和密度泛函理论（DFT)方法探讨了三种生物材料：羟基磷灰石（HA)、壳聚糖（CS)、石墨烯（G)，和生物分子的相互作用机理，特别考察了pH环境和外电场对相互作用的影响。主要研究内容如下： (1)纳米HA在调节细胞功能和吸附蛋白质中起着重要作用，但通过常规实验方法较难准确地了解纳米结构HA表面对蛋白质吸附作用的影响。本研究制备了三种纳米结构的HA表面：纳米沟槽、纳米凹槽和纳米柱；每一种都有三种不同的尺寸和排列方式。采用MD和DFT方法研究了BMP-7和BMP-7衍生多肽与纳米结构HA(110)表面的相互作用机制。考察了水环境中各种HA表面对BMP-7的吸附作用和影响。结果表明，HA表面的纳米结构对蛋白质/多肽与HA基底的相互作用强度有显著影响。BMP-7及其衍生多肽与纳米凹槽和纳米柱HA表面的相互作用强于与平整的和纳米沟槽HA表面的相互作用。研究结果还表明，如果纳米结构HA表面的沟槽尺寸与蛋S质或多肽的残基尺寸相匹配，那么残基很可能会扩散到纳米沟槽、纳米凹槽和纳米柱的槽中，进一步加强它们之间的相互作用。此外，水分子吸附在不同的HA表面，阻碍了蛋白质和多肽的吸附。研究结果有望为用于骨再生和组织工程的新型生物陶瓷材料的表面结构设计提供有价值的理论指导。 (2)本征HA材料中引入单离子或多离子掺杂能有效地调控其形貌、晶粒尺寸、结晶度、物理化学和生物学特性以满足HA的多功能需求。在本研究中，采用DFT和实验方法研究了锶（Sr)掺杂、氟（F)掺杂和Sr/F共掺杂HA纳米粒子的各种特性。Sr/F共掺杂HA与Sr掺杂的HA相比，其负的形成能绝对值更大，结晶度M大，因此结构更稳定，而且相对于Sr掺杂HA，Sr/F共掺杂HA的晶格常数a变小，而c无太大变化。这些结果表明，F可以成功地掺杂到Sr掺杂的HA中，并能稳定Sr掺杂的HA。抗菌试验表明，Sr/F共掺杂的HA晶体具有良好的抗变形链球菌活性。此外，共掺杂HA的抗菌活性与F掺杂HA的抗菌活性无显著性区别。同时Sr掺杂HA具有良好的生物相容性，F加入Sr掺杂HA中并不会导致细胞毒性。Sr离字增强了HA纳米粒宇的骨诱导能力，值得注意的是，将适当含量的Sr掺入F-HA会导致Sr/F共掺杂纳米粒子的最佳骨诱导能力。本研究为设计多种元素共掺杂的纳米HA以满足其在生物医学领域的应用具有一定的指导意义。 (3)将蛋白质与壳聚糖结合不仅可以改善壳聚糖的生物相容性，而且还可以实现蛋ft质分子的有效缓释。脱乙酰度和pH效应被认为是影响壳聚糖吸附蛋白的最重要的两种因素。在本研究中，利用MD方法评价了不同脱乙酰度和pH条件的CS对BMP-2和HSA吸附的影响?结果表明，BMP-2和HSA与75%脱乙酰度壳聚糖表面之间的吸附均达到最大。此外，HSA在各种壳聚糖表面吸附均强于BMP-2。另外，pH结果表晦，降低pH值有利于BMP-2,与HSA和壳聚糖表面的相互作用。研究结果将有望更好地了解CS-protein体系的相互作用机制，为不同脱乙酰度和pH条件下壳聚糖的应用提供理论指导。 (4)石墨烯具有较强的疏水性和较低的反应活性，实验研究多采用在石墨烯材料中引入掺杂原予或功能团方法改善其物理化学性质。值得注意的是，生物分子与原子掺杂石墨烯之间的相互作用机理难以用常规实验方法解释清楚。本研究构建了Fe、Cr、Al、Mn和Ti糁杂石墨烯模型。采用DFT方法研究了掺杂石墨烯与丝氨酸之间的相互作用。结果表明，阴离予型和中性丝氨酸与本征石墨烯之间主要存在-OH…π及-C00-…π非共价相互作用。在金属掺杂石墨烯表面，共价相互作用占主导地位，这是由于形成了metal-O和O-metal-O相互作用。同时，Fe、Cr、.Al、Mn和Ti均增强了石墨烯对两种丝氨酸的吸附，但阴离子型丝氨酸在各种石墨烯表面吸附能力均大于中性丝氨酸。研究结果有望为合理设计和开发石墨烯基材料与蛋白、多肽相关的应用提供有用的参考信息。 (5)石墨烯基纳米材料常釆用掺杂方法改善其反应活性，但外电场也是一种调控石墨烯材料物理性质的有效方法。多巴胺是一种含有两个酚羟基和一个氦基的芳香族化合物，而且由于含有酚羟基和氨基两种活性基团而具有优良的粘附能力。通过查文献得知，在外电场条件下，生物分子与金属原子掺杂石墨烯之间的相互作用还未见报道。本研究系统地考察了多巴胺与本征石墨烯和B、N、Ca和Fe掺杂石墨烯表面的相互作用。研究结果表明，掺杂可以调控多巴胺和石墨烯之间的相互作用。B和N掺杂的石墨烯对多巴胺吸附影响不大，这是由于它们之间仅形成了较弱的非共价相互作用。多巴胺与Ca和Fe掺杂的石墨烯表面的相互作用远大于与前三种石墨烯表面的相互作用，这是由于形成了metal-O和O-metal-O共价相互作用。同时，可以通过沿着垂直于石墨烯表面方向,施加其大小为0、0.005、0.010、0.015和0.020au的外电场来调控多巴胺-石墨鋪体系。结果表明.，一个含适的外电场有助于增加多巴胺分子与Ca和Fe掺杂石墨烯之间的相互作用，其中最大的相互作用出现在0.015au电场条件下。本研究发现通过外电场方法灵活调控石墨烯-生物分子之间的相互作用，在新型石墨烯基催化剂、太阳能电池和生物分子传感器等方面有较好的应用前景。

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