活性分子对脂质膜穿透性影响的分子动力学仿真

摘要

在生物医学中，通过设计功能性的纳米粒子和优化纳米粒子形状、尺寸和材料特性来提高纳米药物的细胞选择性和绑定效率一直是一个巨大的挑战。纳米药物在目标生物体中的作用过程分为吸附、穿透生物膜和释放药物三个过程。在穿透生物膜的过程中，往往会有一些纳米药物表面的配体（ligand）由于吸附能量问题而停留在生物膜中，这些配体不会随着纳米药物穿透生物膜，而是成为活性分子(Surfactant),停留在生物膜中，从而会影响到脂质生物膜的穿透性，继而影响到纳米药物的吸附及穿透过程。随着计算机技术的高速发展，对很多科学领域产生了深刻的影响。纳米药物的出现给生物医学领域带来了更多的启示和选择，先进的计算机技术被广泛的应用到新药物的开发和药物的优化研究中。
　　本文基于分子动力学原理，应用LAMMPS和Material Studio分子模拟软件，研究了活性剂（Surfactant）对脂质生物膜穿透性的影响。在建模阶段，应用了耗散粒子分子动力学及粗粒化建模技术，通过粗粒化的处理方式，提高了计算的效率和计算时长。本文目标模拟体系由脂质生物膜、流体部分和活性分子组成，其中脂质生物膜由粗粒化的链状结构构成，整个脂质生物膜置于模拟体系的中部，生物膜的上下都充满了粗粒化的水分子，流体部分主要由粗粒化的水分子组成；每次模拟中，脂质生物膜内部将含有不同比例的活性分子，活性分子和脂质生物膜应用简谐势能描述链内相邻原子间的作用力。整个体系应用耗散力分子模拟力场（Dissipative Particle Dynamics）势能进行描述。
　　本文采用粗粒化的分子动力学模拟技术，分析研究了不同含量的活性分子（Surfactant）对脂质生物膜通透性的影响。通过建立含有水、脂质生物膜和活性分子的粗粒化模型，最优化粗粒化模型的结构，得出体系的稳定能量状态；同时，在模拟过程中观察活性剂对脂质生物膜结构稳定性的影响，并计算水分子在每次模拟过程中的聚合分布(concentration profile)和均方位移（MSD）等。通过分析后发现，活性剂的含量增加时，较多的活性分子使原来稳定的脂质生物膜，表现出活性分子的性质，变得不稳定，易于形变和粒子更易于通过；并且，通过对脂质生物膜结构的分析，较高含量的活性剂甚至会破坏脂质生物膜的结构。因此，在研究纳米药物穿透生物膜的过程时，必须考虑停留在脂质生物膜中的活性分子对脂质生物膜穿透性的影响，因为这将影响纳米药物的作用效率。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作

第二章 耗散粒子动力学技术

2.1 耗散粒子动力学计算

2.2 离子型表面活性剂胶束的计算

2.3 脂质分子的相行为计算

2.4 本章小结

第三章 分子动力学模拟技术

3.1 分子动力学模拟基本理论

3.2 粗粒化模拟技术

3.3 模拟软件LAMMPS及Materials Studio

3.4 本章小结

第四章 活性分子对脂质膜穿透性影响的分子动力学仿真模拟方案

4.1 分子动力学模拟模型的建立

4.2 粒子之间相互作用势

4.3 系统运动方程与仿真算法步骤

4.4 初始化参数及速度标度

4.5 本章小结

第五章 脂质生物膜模拟系统的结构优化

5.1 10%含量活性分子的结构最优化

5.2 30%含量活性分子的结构最优化

5.3 50%含量活性分子的结构最优化

5.4 80%含量活性分子的结构最优化

5.5 本章小结

第六章 活性分子对脂质膜穿透性的影响

6.1 活性分子（配体链）绑定力分析

6.2 水分子的聚合程度分析

6.3 不同含量活性分子对脂质生物膜结构影响分析

6.4 水分子的均方位移分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文总结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

附录