碳纳米管与磷脂双分子层相互作用的分子动力学研究

发布时间：2020-06-20 06:49

【摘要】：纳米材料的制备与使用是纳米科技的重要分支之一,其中碳纳米材料正在发展成为当前的研究焦点。作为碳纳米材料的典型代表碳纳米管在药物载体、基因载体、生物成像、抗病毒、抗菌以及生物传感器等医学领域均具有宽阔的应用前景。尽管碳纳米管在生物体内诱发的反应可能复杂多样,但这些反应无一例外均要求碳纳米管首先跨越生物膜的屏障,才能最终抵达目标细胞腔隙。因此,阐明碳纳米管与生物膜之间的界面作用机制十分重要。本文通过分子动力学手段对碳纳米管与生物膜相互作用进行模拟研究。根据模拟的特点,选取namd平台作为主要的分子动力学研究手段。生物膜最主要的成分与结构为磷脂双分子层,且生物膜与碳纳米管相互作用过程中起主要作用的是磷脂分子,故将生物膜简化为磷脂双分子层。本文以使用较多的单壁碳纳米管(Single-wall Carbon Nanotubes,SWCNT)为主要对象进行研究。首先建立了纯单壁碳纳米管模型与磷脂双分子层模型,并模拟在自然状态下SWCNT与磷脂双分子层相互作用过程。探究SWCNT的不同空间位置、不同溶液环境与SWCNT不同尺寸对两者相互作用的影响,发现该三方面因素对模拟过程的影响作用不甚显著,故在此基础上继续复杂模型与深化模拟。探究呈现不同悬立角的SWCNT在不同大小外力作用下与磷脂双分子层的相互作用过程中的行为表现,以及磷脂双分子层在该过程中的构象变化。同时在了解SWCNT与磷脂双分子层相互作用的基本情况后,对SWCNT进行功能化处理,即在SWCNT端部修饰带电基团,使其带有4个羧基(COO-)。模拟羧基修饰后的单壁碳纳米管与磷脂双分子层相互作用过程,并探究NaCl、CaCl_2不同溶液环境对该过程的影响。发现当SWCNT修饰有带负电基团时,与磷脂双分子层出现排斥作用,但在离子溶液环境下,排斥作用得到一定的缓和。SWCNT-COO-的负电基团与磷脂双分子层的亲水层对阳离子均具有一定的吸引作用,但两者的对阳离子的吸引作用程度不同,使得阳离子在SWCNT-COO-与磷脂双分子层界面无法形成桥梁作用,SWCNT-COO-无法稳定在磷脂双分子层表面。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;O613.71
【图文】：

示意图,药物载体,碳纳米管,示意图

以及由此可能引发的生物安全性问题。图1-1 为碳纳米管作为药物的载体示意图，其中尾端用 C60封住。如何对碳纳米管进行充分利用使其能最大限度发挥在生物医学领域的应用潜能，是能否实现人类生物医学领域里程碑性跨越需要解决的关键问题之一。在挖掘碳纳米管优势的同时，其生物安全性也是这几年纳米材料应用需要重点关注的焦点之一。已有相关研究表明使用碳纳米管出现了生物毒性的现象，表现为细胞质收缩，细胞核皱缩和嗜酸性改变以及细胞膜无法愈合、破裂等不可逆

磷脂双分子层,构象,磷脂分子,半球

C60渗透磷脂双分子层模拟构象图

【参考文献】