等离子体医学(plasma medicine)是等离子体科学与生物医学学科交叉融合而成的一门新型研究领域。近年来,大气压低温等离子体(Cold Atmospheric Plasma,CAP)技术飞速进步,极大地推动了等离子体医学(plasma medicine)的发展进程。CAP中存在许多种活性组分,其中活性氧粒子(Reactive Oxygen Species,ROS)被认为是CAP发挥生物医学作用的关键成分。ROS可以与生物组织或细胞内的生物分子相互作用,改变其分子结构;还可能作为信号因子影响细胞的正常生理过程。本课题组通过实验证明了经CAP活化之后的磷虾油具有高效的抑癌活性,这说明ROS导致了磷虾油成分的改变,其具体的变化过程以及磷虾油活性提高的机理无法通过实验测定,仍需要进一步的探索。此外,还有研究表明等离子体可以有效杀灭癌细胞,且被灭活的癌细胞内存在碎裂的DNA片段,这被认为是ROS所导致的,但是人们对ROS与DNA分子具体反应的微观机理的认知还没有十分清晰,同样需要进一步的深入研究。随着计算机技术的发展,分子模拟技术成为探究物质之间微观反应机理的重要手段,它可以突破实验检测手段的单一性和局限性,是对实验方法和理论方法的有力补充,近年来,越来越多的学者将分子模拟技术应用到等离子体医学的研究中,受到了广泛的认可。本文正是利用反应分子动力学模拟的方法对上述现象进行了微观机理的探索,并对当前热门的等离子体剂量问题进行了初步的研究。本文的主要内容主要分为以下几个方面:1.概括介绍了大气压低温等离子体,综述了 CAP在生物医学方面的应用,论证了分子模拟应用于生物医学领域的可行性。又介绍了本文所用的反应分子动力学模拟方法以及ReaxFF力场,详细讲解了反应分子动力学方法的原理,并对模拟模型的建立和预处理过程进行了论述。再以艾滋病病毒衣壳蛋白结构为算例,分析了等离子体ROS与衣壳蛋白的反应微观过程,并讨论了剂量作用的影响,证实了反应分子动力学方法的有效性。2.对磷虾油的主要成分进行了分析,选用EPA和DHA两种多不饱和脂肪酸以及虾青素这三种具有抗癌效果的成分作为研究对象,建立相应模型,进行反应分子动力学模拟,分析化学反应的反应路径以及相关产物。经过模拟发现虾青素在等离子体作用下,α-羟基酮结构遭到破坏,虾青素不能继续保持强抗氧化性,这对它的抗癌效应也有很大的影响,同时也失去了对氧化EPA和DHA的保护效果;EPA和DHA在ROS的作用下,一方面,分子上的隔离双键结构转化成为活性更高的共轭多烯键结构,另一方面,末端甲基有几率可以被氧化为醛基,最终生成不饱和醛,这种不饱和醛存在生物毒性,可以对癌细胞造成损伤。因此EPA和DHA在被等离子体处理之后可以转化成为生物性能更活跃的结构,很可能就是磷虾油经等离子体活化后抑癌效果提升的关键所在。3.选用了等离子体ROS中的基态氧原子、羟基和过氧化氢分子分别与构成DNA的四种基本脱氧核苷酸进行反应分子动力学模拟。通过模拟发现,氧原子和羟基可以通过夺氢作用破坏脱氧核苷酸的碱基以及脱氧核糖结构,有几率导致DNA分子内氢键以及磷酸二酯键的断裂,从而引起DNA双链分离,甚至DNA骨架断裂。过氧化氢分子既能从碱基上夺氢,也能将自身氢原子加成到碱基上影响碱基上氢原子的分布,从而破坏DNA分子间氢键,但是过氧化氢分子对脱氧核糖部分的几乎无影响。氧原子在三种ROS中的夺氢效果最优,其次是羟基,最后是过氧化氢分子,而且胞嘧啶和鸟嘌呤要比胸腺嘧啶和腺嘌呤更易被夺氢。再通过对多浓度下氧原子的夺氢效果的对比发现碱基上失去氢原子的概率随着氧原子浓度的提高而提高,脱氧核糖上的失氢概率也表现出相似的趋势,但是断链和核糖开环的概率并未随氧原子浓度的升高而升高,而是相对来说很早的就保持在一个水平上,这主要是由于高浓度下产生环上烯键的原因。