生物分子與TiO2-石墨烯相互作用的計(jì)算機(jī)模擬.pdf

1、生物材料植入人體后，其表面會(huì)在短時(shí)間內(nèi)吸附大量的蛋白質(zhì)等生物分子。生物分子在生物材料表面吸附之后，往往會(huì)由于跟生物材料表面之間的相互作用，引起其構(gòu)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(duì)生物材料表面改性及醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)研發(fā)具有十分重要的意義。但是，當(dāng)前研究對(duì)生物材料與生物分子之間相互作用的機(jī)理在原子、分子水平上的認(rèn)識(shí)還很缺乏。本論文采用基于第一性原理的計(jì)算機(jī)模擬方法研究了幾種常見(jiàn)生物分子與石墨烯和TiO2之間的相互

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

3、RGD與表面之間的相互作用最強(qiáng)。RGD氨基與石墨烯表面形成的NH3+…π作用，要強(qiáng)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(qiáng)石墨烯與RGD之間的相互作用。氧化石墨烯表面的含氧基團(tuán)增強(qiáng)了其與RGD之間的作用，不同的含氧基團(tuán)對(duì)RGD的結(jié)合能力各異。水分子的存在增強(qiáng)了石墨烯與RGD之間的作用強(qiáng)度，卻減弱了氧化石墨烯與RGD之間的作用強(qiáng)度。

4、>　　 Ti基材料表面會(huì)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(duì)于Ti基材料良好的生物相容性有重要貢獻(xiàn)。充分了解TiO2表面與蛋白質(zhì)/多肽/氨基酸之間的相互作用機(jī)理是鈦植入體成功的關(guān)鍵之一。天冬氨酸（簡(jiǎn)寫為Asp或D）是自然界中最常見(jiàn)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(jì)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(duì)Asp吸附的影響。分析結(jié)果表明，當(dāng)Asp的氨基、羧基同時(shí)與兩個(gè)表面Ti原子形成二齒橋狀鍵合時(shí)，Asp與TiO2表面之間的相互作用最強(qiáng)。Asp的氫原子與表面橋氧原子之間形成的氫鍵也對(duì)其在表面的吸附有貢獻(xiàn)。水分子的存在會(huì)阻礙Asp在表面的吸附。R(110)表面摻雜氮或鈣之后，都會(huì)導(dǎo)致Asp與表面之間的作用減弱。
　　 石墨烯和TiO2在生物材料領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景，研究TiO2/石墨烯復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)中

6、的應(yīng)用具有重要的意義。甘氨酸（簡(jiǎn)寫為Gly或G）是自然界中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)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(jì)算方法研究了Gly與TiO2/石墨烯復(fù)合體系的相互作用。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)TiO2/石墨烯復(fù)合體系中TiO2為主導(dǎo)成分時(shí)，Gly主要與TiO2作用，TiO2晶型對(duì)Gly的吸附有影響;當(dāng)石墨烯/氧化石墨烯為主導(dǎo)成分時(shí)，石墨烯/氧化石墨烯對(duì)Gly的吸附起主要作用;石墨烯/氧化石墨烯的加入能否增強(qiáng)TiO2/石墨烯復(fù)合材料對(duì)Gl