细胞是生命体的基本活动单元,纳米材料的应用离不开与细胞膜的作用,从分子层面上揭示其与细胞膜之间的作用机制,对其生物医学应用具有启示意义。近年来,随着计算机技术的不断发展以及分子模拟和实验研究的广泛结合,分子模拟研究方法在纳米生物学研究领域占据越来越重要的地位。本文利用粗粒度分子动力学模拟方法研究了纳米材料(C60、脂质纳气泡)与磷脂双层膜(类细胞膜模型)的作用。1、C60纳米材料由于其独特属性广泛应用于纳米医学领域。然而,C60的生物毒性也是不可忽略的,已有研究表明1nano-C6o能跨过血脑屏障,造成机体的损害。因此,研究C60与细胞膜的微观作用机理,对其在生物医学的安全应用具有重要意义。另一方面,胆固醇是细胞膜的重要组成成分,它对细胞膜的结构和小分子的渗透有重要影响。不同功能部位的细胞膜中胆固醇的含量存在差异。胆固醇对C60跨膜的影响还未阐明。因此,本文我们研究胆固醇浓度对C60跨磷脂双层膜的影响。构建一系列包含不同浓度的胆固醇分子的体系,胆固醇的浓度为On ol%-50 mol%。通过一系列的动力学模拟结果,研究胆固醇对磷脂双层膜的凝固作用(condensation effect),表现为脂质分子的平均单脂面积降低,膜厚增加,尾链有序性增加。在C60的跨膜动力学过程中,发现C60能自发地进入膜内,并稳定存在于疏水区而不会从另一侧出去。我们计算不同体系的自由能曲线,发现从水相到膜内只有很小的能垒,C60能克服这个能垒进入膜内,而从膜内到水相有很大的势垒,C60不会从另一侧出去,稳定地存在于疏水区。我们还计算了C60跨膜的渗透系数,发现随着胆固醇浓度的增加,渗透系数减小,表明渗透变慢。这些主要归因于胆固醇分子的存在,体系自由体积减小,C60跨膜需要打破的分子间作用力增加,导致分子扩散变慢。2、脂质纳气泡作为目前最有效的超声造影剂,在超声的作用下,不仅能够增强造影效果,而且其声孔效应能应用于药物或基因治疗。较大超声强度可以使脂质纳气泡破裂产生冲击波及液体射流。为了研究冲击作用下脂质纳气泡对磷脂双层膜的影响,进行非平衡动力学模拟。通过设置不同的颗粒速度,产生不同速度的冲击波。研究冲击波的速度和脂质纳气泡的尺寸对结果的影响。动力学模拟结果显示,非平衡动力学模拟中会有冲击波产生,其沿着体系+z方向传播,当运动到脂质纳气泡的近端时,开始压缩脂质纳气泡,直到脂质纳气泡破裂,此过程中气泡周围的水分子快速地向气泡中心聚集,形成纳米水射流。此纳米水射流会对磷脂双层膜产生作用,使磷脂双层膜发生结构形变,在冲击波速度较大时,磷脂双层膜会有较明显的半球形形变,膜上产生孔洞。此过程伴随有水分子扩散到磷脂双层膜疏水区的现象。纳米水射流的强度和磷脂双层膜的损伤程度与冲击波的速度和脂质纳气泡的尺寸有关。尽管脂质纳气泡破裂产生的纳米水射流会使磷脂双层膜发生形变,但受损的磷脂双层膜是可以恢复的。我们对受到损伤的体系部分截取构成新体系,其包含磷脂双层膜及周围若干水分子,进行恢复过程模拟。模拟结果表明膜表面的孔洞开始急速扩大,达到最大尺寸后缓慢地闭合,直至膜完全平坦,说明冲击作用使膜产生的孔洞是瞬时可逆的。此外,在整个过程中,发现有水分子从孔洞跨到膜的另一侧,且扩散的分子数目与膜的损伤程度相关。本文分别对C60富勒烯纳米材料、脂质纳气泡与磷脂双层膜作用进行初步研究,能更好地理解他们的生物安全等特性,使它们更有效地应用于药物或基因治疗等纳米医学领域。