随着再生医学的发展,生物材料的设计已进入了一个新的阶段。目前,研究开发具有生物适配并能产生适当应答反应的新型生物医用材料,已成为组织修复和再生研究的重点。其中,材料表面是决定整个材料生物应答的关键,通过控制材料表面化学对蛋白的吸附与随后的细胞行为,达到控制和引导其生物学反应,是新型生物材料设计的核心。但由于材料表面性质的复杂性及实验手段的局限性,难以在分子或原子水平上获得蛋白质吸附过程的取向和构象等复杂细节信息。本论文围绕材料表面化学生物适配性的关键科学问题,进行了材料表面化学官能团调控黏附蛋白吸附的分子机制研究。通过基础实验结合全原子力场分子动力学（MD）模拟的理论分析,从原子水平上探究了蛋白吸附取向和空间构象的变化,并进一步探讨了功能基团与细胞表面受体蛋白的相互作用机理以及蛋白间竞争吸附的关系,揭示了表面化学对蛋白质内部关键结构域之间与不同蛋白之间互作的调控机制,为新型生物医用材料表面性质的设计与调控提供了理论依据。（1）材料界面蛋白吸附的MC+MD模拟评价体系的构建构建适用于材料界面蛋白吸附的分子模拟评价体系是理论分析的基础。本论文首先利用计算机为不同末端官能团（-COOH、-NH₂、-CH₃和-OH）的SAMs表面建立了计算模型,并结合实验及第一性原理计算确认了所建立SAMs表面模型的可行性。进而以BSA作为模型蛋白,结合蒙特卡洛（MC）方法初始化蛋白取向,成功构建了蛋白吸附的MC+MD模拟评价体系,缩减了传统MD方法搜索全局所有蛋白稳定吸附状态所需的时间,增强了模拟结果的可靠性。（2）材料表面化学对黏附类蛋白的构型演变及其细胞黏附活性的调控为了揭示材料表面黏附类蛋白的吸附对细胞行为的介导机制,并验证MC+MD模拟体系在蛋白吸附机理研究中的适用性,利用基础实验表征了不同电荷性质和亲疏水性的SAMs表面上玻连蛋白（Vn）的吸附特性和动力学过程,进而以hMSCs为模型细胞评价了Vn基质的细胞学响应,并以Vn中与细胞黏附相关的功能性结构域SMB片段构建了MC+MD模拟体系进行模拟。结合宏观实验与分子模拟理论计算结果表明,Vn的细胞黏附能力取决于表面化学对吸附构象的调控所致的不同吸附量和RGD取向。带电表面上Vn的RGD位点自由度相对较高,hMSCs黏附铺展面积大,成骨分化被延迟。虽然负电和疏水表面上Vn均发生了解折叠,使吸附密度增加,但是前者形成了直立的“尾立”形态有利于细胞黏附,而后者形成了平铺多层的“侧立”形态使细胞黏附受到抑制。同时,实验与模拟结果的一致性验证了MC+MD模拟评价体系的适用性。（3）蛋白内部结构域互作对吸附蛋白的细胞黏附功能的调节蛋白的内部结构是决定其吸附行为的重要因素之一。为深入探讨并揭示材料界面上黏附类蛋白的内部结构域间互作对其整体黏附功能的调节机制,本文利用多结构域的纤连蛋白（Fn）片段(Fn-III₁₀、Fn-III_9-10和Fn-III_7-10)构建了MC+MD模拟体系,并模拟了其吸附行为。结果表明,III型结构域（Fn-III）的数量与Fn片段的吸附状态及其构象的稳定性正相关,且各材料表面上Fn-III对Fn片段吸附取向的调节机制各异:在负电表面,Fn-III₉的空间隔离与Fn-III_7-8的极性偏转,使RGD位点活性提高;在正电和疏水表面,Fn-III₉使Fn片段双黏附位点的活性分别进一步提高和降低;在亲水表面,Fn片段的吸附结合力均较弱,Fn-III的调控作用较弱,其吸附量较少而不利于细胞黏附。（4）黏附类蛋白间竞争吸附中材料表面-蛋白与蛋白-蛋白相互作用的依存关系在实际应用中,生物材料表面微环境内蛋白种类繁杂,黏附类蛋白之间竞争互作对蛋白功能影响重大。基于前文已确立的Fn-III₁₀和SMB的稳定吸附状态,在体系内引入互作蛋白构建了双蛋白的MC+MD模拟体系,并模拟了两蛋白之间的竞争吸附行为,深入分析了异种蛋白竞争吸附体系中蛋白-蛋白界面以及材料表面-蛋白界面相互作用。研究发现,近似电中性的Fn-III₁₀与负电或电中性表面的结合能力更强,倾向于发生交换吸附取代带净负电荷的SMB。而Fn-III₁₀和SMB之间主要通过静电互作驱动,并以极性互作方式结合,蛋白表面的碱性残基Arg和Lys是引导并稳定互作的重要成分。两者互作对预吸附蛋白的取向与构象起调整作用,尤其在正电和疏水表面上,SMB在Fn-III₁₀的调整下其细胞黏附活性分别明显提高和降低。本研究从生物材料界面蛋白吸附及其细胞响应的基本问题出发,基于构建的普适性分子模拟评价体系,实现了对材料表/界面及蛋白互作界面调控黏附类蛋白吸附行为的分子机制的详细阐述,为新一代生物适配材料的表面设计提供了系统的理论指导。