小分子與多肽在碳納米管中擴(kuò)散及輸運(yùn)行為的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、近年來，納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用獲得了廣泛關(guān)注。其中碳納米管和生物大分子的組合體系為新型生物和納米技術(shù)應(yīng)用開啟了一道大門，這類組合體系近年來一直成為眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。作為納米量級(jí)的管道，碳納米管可以被用來傳輸和封裝流體和生物類分子，從而引發(fā)多種獨(dú)特的復(fù)合體系的設(shè)計(jì)與發(fā)展，廣泛應(yīng)用于藥物傳輸裝置和生物分子輸運(yùn)等領(lǐng)域。同時(shí)，多種共價(jià)和非共價(jià)功能化處理大大改進(jìn)了碳納米管的生物兼容性，使其在醫(yī)學(xué)診斷和藥物輸運(yùn)應(yīng)用方面發(fā)揮更為廣泛的用

2、途。目前在計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫娑伎梢杂^察到大小合適的生物分子自發(fā)進(jìn)入碳納米管形成包裹物的過程。為研究這類過程在分子尺度上發(fā)生的微觀細(xì)節(jié)以及多種影響因素的綜合效應(yīng)，計(jì)算機(jī)分子模擬已經(jīng)顯示出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，成為了除實(shí)驗(yàn)手段外有力的研究工具。
　　本論文主要利用分子動(dòng)力學(xué)(Molecular dynamics，MD)和操控式分子動(dòng)力學(xué)(Steered molecular dynamics，SMD)模擬碳納米管作為載體，研究了一系列的

3、分子在受限體系下的動(dòng)力學(xué)行為和機(jī)制。以簡(jiǎn)單氣體作為研究的開端，著力解決兩種擴(kuò)散機(jī)制的影響因素;然后研究含有水的擴(kuò)散行為，著力解決氫鍵體系擴(kuò)散行為與非氫鍵體系的不同點(diǎn);此后研究轉(zhuǎn)移到多肽藥物日達(dá)仙，研究其在碳納米管中的自發(fā)輸運(yùn)情況以及該過程的能量;最后我們?cè)谌者_(dá)仙進(jìn)入納米管的體系中外加勻強(qiáng)電場(chǎng)，著力研究外加電場(chǎng)對(duì)于輸運(yùn)作用的影響。本論文試圖為碳納米管在藥物輸運(yùn)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用提供信息，主要的研究結(jié)論如下:
　　1.氣體在碳納米管中的擴(kuò)

4、散一般存在兩種類型:單陣列擴(kuò)散和費(fèi)克擴(kuò)散。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于LJ階勢(shì)的氣體分子，總存在著過渡管徑使得其從單隊(duì)列擴(kuò)散突變成為費(fèi)克擴(kuò)散。管徑的大小約為D～2.6σ-2.8σ，σ參照的是混合物中較大組分。對(duì)于Ar和Kr來說，他們?cè)?7，7)及以下的碳納米管中進(jìn)行單隊(duì)列擴(kuò)散，而在(8，8)及以上的碳納米管中則進(jìn)行費(fèi)克擴(kuò)散;對(duì)于Ne來說，他在(6，6)碳納米管中進(jìn)行單隊(duì)列擴(kuò)散，而在(7，7)及以上的碳納米管中進(jìn)行費(fèi)克擴(kuò)散。對(duì)于Xe來說，他在(8，8)及

5、以下的碳納米管中進(jìn)行單隊(duì)列擴(kuò)散，而在(9，9)及以上的碳納米管中進(jìn)行費(fèi)克擴(kuò)散。這些性質(zhì)與混合氣體的組分比例沒有關(guān)系。
　　2.在受限體系中，氫鍵在(6，6)碳納米管中，容易使得水分子聚集在一起，導(dǎo)致產(chǎn)生了整體的快速運(yùn)動(dòng)，我們把這種運(yùn)動(dòng)叫做整體漂移。漂移的概念和擴(kuò)散完全不一樣，更強(qiáng)調(diào)了整體相關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)。相反在(7，7)及以上的碳納米管中，氫鍵網(wǎng)絡(luò)并不會(huì)改變水分子的擴(kuò)散機(jī)制，但是使得水分子形成區(qū)域化的高密度團(tuán)簇。管徑、溫度和密度極大地

6、能夠影響氫鍵的性質(zhì)，從而導(dǎo)致不同的擴(kuò)散機(jī)制。當(dāng)管徑增大時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)不斷增大。受限體系能夠穩(wěn)定氫鍵，導(dǎo)致其壽命比體相水的氫鍵壽命大三個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)溫度下降時(shí)，(7，7)碳納米管中水的擴(kuò)散機(jī)制從費(fèi)克擴(kuò)散變化為單隊(duì)列擴(kuò)散，而且水的平均氫鍵壽命在(7，7)碳納米管中不斷下降。當(dāng)密度下降至極低密度時(shí)，水的擴(kuò)散系數(shù)忽然降低，因?yàn)榈兔芏鹊乃纬蓤F(tuán)簇的大小導(dǎo)致了擴(kuò)散的空間非常有限。
　　3.日達(dá)仙可以自發(fā)進(jìn)入(20，20)的碳納米管，但是當(dāng)其進(jìn)入管

7、中后，更容易被碳納米管束縛住，導(dǎo)致其無法出管。研究發(fā)現(xiàn)，范德華力和水的作用力，在全過程中起到了非常重要的作用，是日達(dá)仙進(jìn)入納米管難易程度的最重要因素。在自發(fā)進(jìn)入管道時(shí)，范德華力是碳納米管對(duì)于日達(dá)仙的吸引作用，水的阻礙作用則體現(xiàn)在氫鍵和體積上，兩者互相競(jìng)爭(zhēng)，綜合作用在藥物分子上。碳納米管管徑越小，日達(dá)仙更容易受到碳納米管的限制，不容易自發(fā)出管;碳納米管長(zhǎng)越長(zhǎng)，束縛多肽的勢(shì)阱更寬，使得蛋白質(zhì)更容易束縛在碳納米管中央。
　　4.由于日達(dá)