1、碳納米管(carbon nanotube，CNT)具有卓越的電學、機械和結構特性，在基因運載、生物成像等領域具有廣泛的應用價值。但是，CNT難溶于水和普通的有機溶劑，極大地限制了其在分子水平上的進一步操控和應用。CNT非共價功能化既能夠克服CNT水溶性和分散性差的缺陷，又不破壞其獨特的π電子體系。此外，結合生物分子功能化還能增加CNT的生物兼容性，從而降低CNT的生理毒性。然而，CNT非共價功能化過程中許多微觀細節(jié)諸如結構、作用機制及能

2、量等尚不清楚。因此，本論文采用分子模擬方法從本質上理解CNT非共價功能化體系的自組裝機制，旨在為新型CNT復合材料的設計提供理論依據(jù)與指導。主要內容如下:
　　(1)多糖纏繞CNT是一種新興的非共價功能化方式，借助分子動力學和自由能計算分別對海藻酸、殼聚糖和淀粉三種多糖纏繞CNT的動力學行為進行了系統(tǒng)地研究。結果表明，在范德華吸引作用和疏水作用的驅動下，三種多糖在水環(huán)境中均能自發(fā)地纏繞在CNT表面。其中，海藻酸和殼聚糖因骨架結構張

3、力較大，形成疏松的螺旋結構，而淀粉則形成緊密的螺旋結構，分子內氫鍵是穩(wěn)定緊密螺旋結構的主要因素。同時，海藻酸在模擬中重現(xiàn)了“長城”式結構重排的典型特征。兩條海藻酸長鏈在Ca2+交聯(lián)下通過靜電吸引作用能夠形成穩(wěn)定的雙螺旋結構，從而解釋了可逆纏繞現(xiàn)象。另外，計算了殼聚糖纏繞過程的自由能變化曲線，得到了兩個自由能最優(yōu)的螺旋結構及相應的螺距，并預測了纏繞結構的穩(wěn)定性，為設計功能化纏繞劑提供了一個潛在途徑。最后，證實了CNT的末端效應，即CNT末

4、端能夠誘導淀粉發(fā)生纏繞行為，而CNT中端則不具有類似的效應，揭示了超短CNT在合成新型納米材料領域的良好應用前景。
　　(2)疏水蛋白HFBI吸附CNT表面能夠有效地改善CNT的水溶性，并形成三維有序的納米復合材料。通過分子動力學模擬和自由能計算研究了HFBI在3種取向下吸附CNT表面的動力學行為。結果表明，由于HFBI含有4個二硫鍵，在吸附過程中自身結構變化不大，主要的二級結構均得以保留。在不同的吸附取向下，分別得到了不同的吸附

5、模式。其中，當HFBI的直接與CNT表面相互作用且最大限度地被掩埋時，形成了最穩(wěn)定的吸附結構，結合自由能最為有利;反之，當疏水端完全暴露在水溶液環(huán)境中，吸附模式最為不利。溶劑化作用是吸附的主要驅動力。另外，比較了HFBI在聚二甲基硅氧烷固體基底上的吸附行為，得到了同樣的吸附機制，殘基Leu12、Leu24、Leu26、Ile27、Ala66及Leu68是導致疏水蛋白能夠吸附在不同疏水表面上的關鍵殘基。該研究合理地解釋了實驗現(xiàn)象，為設計新

6、型生物活性表面提供了理論基礎。
　　(3) Smith-Lemli-Opitz綜合癥是一種由7-脫氫膽固醇-Δ7還原酶缺陷導致的膽固醇代謝異常的遺傳性疾病，具體表現(xiàn)為患者體內血漿中低膽固醇及高7-脫氫膽固醇濃度。采用分子動力學模擬結合兩種分子力場探索了不同濃度下膽固醇及7-脫氫膽固醇對細胞膜結構性質的影響，旨在從理論計算的角度闡述該綜合癥的病因，進而開展基于CNT功能化體系的基因運載研究。結果表明，兩種固醇的濃縮效應與有序效應主要