生物分子與TiO2-石墨烯相互作用的計算機模擬.pdf

1、生物材料植入人體后，其表面會在短時間內(nèi)吸附大量的蛋白質等生物分子。生物分子在生物材料表面吸附之后，往往會由于跟生物材料表面之間的相互作用，引起其構型及功能的改變。因此，研究生物材料同生物分子之間的相互作用，對生物材料表面改性及醫(yī)療器械的設計研發(fā)具有十分重要的意義。但是，當前研究對生物材料與生物分子之間相互作用的機理在原子、分子水平上的認識還很缺乏。本論文采用基于第一性原理的計算機模擬方法研究了幾種常見生物分子與石墨烯和TiO2之間的相互

2、作用機理。
　　 石墨烯是由單層碳原子緊密排列而成的二維蜂巢狀結構，具有優(yōu)異的力學和電學性能。石墨烯及其衍生材料在生物醫(yī)學領域具有很好的應用潛力。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)序列存在于多種細胞外基質蛋白中，是細胞粘附的重要識別位點，能夠促進細胞在材料表面的吸附。本文用基于電子密度泛函理論的計算方法研究了RGD與石墨烯之間的相互作用。分析結果表明，當RGD分子平行于表面，并且其氨基、羧基和胍基三種功能團同時與表面相互作用時，

3、RGD與表面之間的相互作用最強。RGD氨基與石墨烯表面形成的NH3+…π作用，要強于RGD胍基和羧基與表面形成的guanidine-NH2…π和COO-…π作用。石墨烯表面上的空位缺陷處存在含有懸掛鍵的未成鍵碳原子，能夠增強石墨烯與RGD之間的相互作用。氧化石墨烯表面的含氧基團增強了其與RGD之間的作用，不同的含氧基團對RGD的結合能力各異。水分子的存在增強了石墨烯與RGD之間的作用強度，卻減弱了氧化石墨烯與RGD之間的作用強度。

4、>　　 Ti基材料表面會自發(fā)形成一層TiO2氧化層，這一氧化層處于人體組織與植入體之間，對于Ti基材料良好的生物相容性有重要貢獻。充分了解TiO2表面與蛋白質/多肽/氨基酸之間的相互作用機理是鈦植入體成功的關鍵之一。天冬氨酸（簡寫為Asp或D）是自然界中最常見的氨基酸之一。本研究用基于第一性原理電子密度泛函理論的計算方法研究了Asp與純金紅石型TiO2(110)(R(110))表面、氮摻雜R(110)表面、鈣摻雜R(110)表面之間的

5、相互作用，并考察了水環(huán)境對Asp吸附的影響。分析結果表明，當Asp的氨基、羧基同時與兩個表面Ti原子形成二齒橋狀鍵合時，Asp與TiO2表面之間的相互作用最強。Asp的氫原子與表面橋氧原子之間形成的氫鍵也對其在表面的吸附有貢獻。水分子的存在會阻礙Asp在表面的吸附。R(110)表面摻雜氮或鈣之后，都會導致Asp與表面之間的作用減弱。
　　 石墨烯和TiO2在生物材料領域都有很好的應用前景，研究TiO2/石墨烯復合材料在生物醫(yī)學中

6、的應用具有重要的意義。甘氨酸（簡寫為Gly或G）是自然界中結構最簡單的氨基酸。本研究用基于第一性原理電子密度泛函理論的計算方法研究了Gly與TiO2/石墨烯復合體系的相互作用。計算結果表明，當TiO2/石墨烯復合體系中TiO2為主導成分時，Gly主要與TiO2作用，TiO2晶型對Gly的吸附有影響;當石墨烯/氧化石墨烯為主導成分時，石墨烯/氧化石墨烯對Gly的吸附起主要作用;石墨烯/氧化石墨烯的加入能否增強TiO2/石墨烯復合材料對Gl