生物惰性(bioinert)是生物相容性材料最主要的性能之一,基于兩性離子結構的材料表面被發(fā)現(xiàn)在抗蛋白質非特異性吸附(antifouling)、抗細胞粘附、免疫隱身等方面具有卓越的性能,在抗污抗菌材料、生物分子檢測、組織工程、藥物包覆、生物分子活性增強、醫(yī)學照影以及海洋科學等方面具有廣闊的應用前景。在眾多有關兩性離子結構具有生物惰性的分子機理研究中,水合作用被認為是關鍵的因素,具有重要的探索價值和研究必要性。本論文利用分子動力學(Molecular Dynamics,MD)模擬的方法,首先針對一種具有兩性離子結構的交聯(lián)劑分子與傳統(tǒng)的交聯(lián)劑分子的水合作用進行了對比,通過構象特點、水合層結構、氫鍵生存情況以及水合自由能等方面的分析,解釋二者水合機制的差別。其次,對比兩性聚合物和傳統(tǒng)的聚乙二醇(PEG)在完全水合平衡下的構象特征、水合層結構和動力學特性、氫鍵形成情況和水合自由能計算,揭示聚合物構象特點與水合特點之間的關聯(lián)。再次,模擬了接枝兩性聚合物和接枝PEG表面的水合作用,分析了水分子空間密度分布,并運用格點化非均相溶劑理論(GIST)對兩種表面的水分子平動熵變和轉動熵變進行了計算,以傘形...

【文章頁數(shù)】：168 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 研究背景
    1.1 生物材料和生物相容性
    1.2 兩性離子結構概述
    1.3 兩性離子結構的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 抗污與抗菌
        1.3.2 兩性表面應用于生物分子特異性檢測
        1.3.3 納米粒子表面兩性化修飾及評價
        1.3.4 兩性納米凝膠
        1.3.5 兩性離子結構分子偶聯(lián)改性生物活性分子
        1.3.6 基于兩性離子結構的交聯(lián)劑的開發(fā)與凝膠力學性能探索
        1.3.7 基于生物分子的兩性離子結構及應用
    1.4 兩性離子結構生物惰性機理和研究現(xiàn)狀
        1.4.1 兩性離子結構生物惰性機理研究進展—通過實驗檢測手段
        1.4.2 兩性離子結構生物惰性機理研究進展—通過MD模擬方法
    1.5 課題提出、研究內(nèi)容和目的
    第一章 參考文獻
第二章 方法和原理
    2.1 分子動力學模擬概述
    2.2 分子動力學模擬主要原理及實施流程
    2.3 分子動力學模擬力場
    2.4 勢能函數(shù)
        2.4.1 鍵合作用中的鍵伸縮
        2.4.2 鍵合作用中的鍵角擺動
        2.4.3 鍵合作用中的二面角旋轉
        2.4.4 非鍵相互作用勢
    2.5 分子動力學模擬水分子模型
    2.6 分子動力學MD模擬積分和能量優(yōu)化算法
    2.7 能量優(yōu)化算法
    2.8 分子動力學壓力和溫度控制
        2.8.1 Berendsen溫度耦合法
        2.8.2 速度重縮放溫度耦合Velocity-rescaling
        2.8.3 Nose-Hoover溫度耦合
        2.8.4 Berendsen壓力耦合
        2.8.5 Parrinello-Rahman壓力耦合
    2.9 周期性邊界條件
    2.10 約束算法
        2.10.1 SHAKE算法
        2.10.2 LINCS算法
    2.11 自由能計算
        2.11.1 自由能微擾法(FEP)
        2.11.2 傘形取樣(Umbrellasampling)
    2.12 非均相溶劑理論(IST)
    第二章 參考文獻
第三章 兩性交聯(lián)劑與非兩性交聯(lián)劑的水合作用
    3.1 課題背景
    3.2 體系構建和模擬方法
    3.3 分析與討論
        3.3.1 水合自由能
        3.3.2 水合層偶極取向分布
        3.3.3 氫鍵結構和動力學
        3.3.4 水分子駐留動力學
        3.3.5 溶質構象分析
    3.4 本章小結
    第三章 參考文獻
第四章 兩性離子結構聚合物與PEG的水合作用比較
    4.1 研究背景
    4.2 體系構建和模擬方法
        4.2.1 聚合物分子結構和參數(shù)化
        4.2.2 模擬方法和實施流程
        4.2.3 自由能計算—傘形取樣方法
    4.3 分析與討論
        4.3.1 均方根位移和回轉半徑
        4.3.2 溶劑可及面積
        4.3.3 角度分布
        4.3.4 距離分布
        4.3.5 鏈段接觸矩陣圖
        4.3.6 水分子徑向分布函數(shù)(RDF)
        4.3.7 水分子駐留動力學(ResidenceDynamics)
        4.3.8 水分子偶極取向動力學(Reorientation Dynamics)
        4.3.9 氫鍵動力學
        4.3.10 水合自由能
    4.4 本章小結
    第四章 參考文獻
第五章 蛋白質在“兩性”表面的吸附
    5.1 課題背景
    5.2 體系構建和模擬方法
        5.2.1 材料表面的構建
        5.2.2 材料表面水合作用MD模擬方法
        5.2.3 蛋白質分子
        5.2.4 牽引動力學和傘形取樣MD模擬
    5.3 分析與討論
        5.3.1 材料表面的水分子密度分布(Z-density)
        5.3.2 材料表面的水分子熵變能計算
        5.3.3 蛋白質吸附自由能
    5.4 本章小結
    第五章 參考文獻
第六章 EK短肽鏈對于蛋白質二級結構的維持
    6.1 研究背景
    6.2 體系構建和模擬方法
        6.2.1 選取具有特殊二級結構的蛋白質片段或肽鏈
        6.2.2 體系構建
        6.2.3 MD模擬方法
    6.3 分析與討論
        6.3.1 Alpha肽鏈二級結構變化特征
        6.3.2 Alpha肽鏈中殘基接觸矩陣圖
        6.3.3 Alpha肽鏈氫鍵形成情況和對應二級結構
        6.3.4 Beta肽鏈二級結構變化特征
        6.3.5 Beta肽鏈中殘基接觸矩陣圖
        6.3.6 Beta肽鏈氫鍵形成情況和對應二級結構
        6.3.7 Hairpin肽鏈二級結構變化特征
        6.3.8 Hairpin肽鏈中殘基接觸矩陣圖
        6.3.9 Hairpin肽鏈氫鍵形成情況和對應二級結構
        6.3.10 三種肽鏈與水相互作用能
        6.3.11 三種肽鏈表面水合層駐留動力學
        6.3.12 EK溶液中水分子的擴散系數(shù)
    6.4 本章小結
    第六章 參考文獻
第七章 水分子在表面拓撲形貌影響下的行為特征
    7.1 研究背景
    7.2 體系構建和模擬方法
        7.2.1 表面凹/凸形貌的構建
        7.2.2 MD模擬方法
    7.3 分析與討論
        7.3.1 水分子密度分布
        7.3.2 水分子偶極取向分布
        7.3.3 水分子四面體參數(shù)
        7.3.4 水分子駐留動力學
        7.3.5 水分子偶極取向動力學
    7.4 本章小結
    第七章 參考文獻
第八章 總結與展望
    8.1 總結
    8.2 展望
第九章 附錄
    9.1 CBMAX和MBAA的電荷計算
    9.2 CBMA和EG單體在OPLSaa力場中的原子類型
    9.3 Euler空間點密度計算fortran90代碼
    9.4 水分子四面體參數(shù)S計算中鄰近水分子篩選fortran90代碼
攻讀博士學位期間論文和專利成果
致謝



本文編號：3866687