在硬组织修复领域中,石墨烯和二氧化钛是较为重要且常用的两种材料。通过研究这两种材料与生物分子之间的相互作用能够帮助我们更深入地了解他们在植入后对生物体的影响,对这两种材料的改性潜力有更全面的认识,同时也能够为将来的新型生物材料开发起到借鉴和指导作用。计算机模拟方法是研究生物材料与生物分子之间相互作用的常用方法。这种方法能够弥补实验研究无法了解微观机理的不足,使得学者们能够以原子尺度的视角对生物材料的结构和性能进行研究。然而,现有的计算模拟方法仍有一些缺陷,例如量子力学模拟适用的元素范围较广但难以处理大尺寸体系,而分子动力学方法能够处理较多原子的体系但受到力场的限制只能处理结构较为简单的材料。为了解决这一问题,我们采用第一性原理的量子力学方法开发了一套适用于复杂材料表面的CHARMM力场,并使用这一力场研究了石墨烯/功能化石墨烯和二氧化钛/功能化二氧化钛与生物分子之间的相互作用机理,特别考察了表面基团对上述材料生物学性能的影响。主要研究内容如下:(1)石墨烯作为一种具有代表性的二维材料已广泛用于生物医学应用领域中。然而对石墨烯生物材料的计算研究,尤其是石墨烯功能化对其与生物分子相互作用的影响的理解仍然无法满足新材料开发的需求。在这一部分工作中,我们针对具有N/O修饰的石墨烯表面和纤维蛋白肽-A之间的相互作用进行了分子动力学模拟。结果表明,大多数氧和氮基团的存在可以增强表面和纤维蛋白肽-A之间的相互作用,而石墨烯表面上的Graphitic-N基团则不会产生很大的差异。相互作用的增强机理不仅有表面基团与多肽发生了稳定吸附,而且还有因为表面缺陷带来的吸附位点的增加,同时有缺陷的表面也会减少水分子的竞争性吸附。我们还发现不同种类的接枝基团对吸附其上的氨基酸残基具有一定的选择性,为材料设计理论提供了新的理论指导。(2)石墨烯及其衍生物在骨修复及药物递送等领域有着广泛的应用。在这些应用中的一个根本性的问题是生物分子和石墨烯之间的相互作用问题。在这一部分工作中,我们研究了表面功能化对石墨烯表面上BMP-2吸附机理的影响。通过计算四种石墨烯表面模型:原始石墨烯,还原氧化石墨烯,氧化石墨烯以及氮掺杂石墨烯与BMP-2之间的相互作用,我们发现BMP-2在氧化石墨烯表面上的吸附能大于在其他表面上的吸附能,主要吸附位点有脯氨酸和丝氨酸。此外,BMP-2在氧化石墨烯表面会发生偏转,形成侧面与表面结合的构型。这部分结果为我们进一步了解BMP-2与石墨烯材料之间的相互作用,并为未来材料开发和设计提供了理论指导。(3)二氧化钛材料是一种公认的有较大表面改性潜力的材料。在生物医用材料领域里,学者们应用了各种表面处理手段以求提升其生物学性能。然而对于二氧化钛对生物分子功能的影响,尤其是修饰后的二氧化钛如何调控蛋白功能的问题仍亟待解决。在本研究中,我们开发了两种二氧化钛表面接枝基团的分子动力学力场,并用这一力场计算了接枝功能团的二氧化钛表面与骨形态发生蛋白-2之间的吸附作用。计算结果表明,在二氧化钛表面接枝磷酸氢根能够显著增大蛋白的吸附能,并且改变蛋白的朝向,使得wrist位点暴露在体系外面。暴露出的wrist位点能够特异性地识别并结合BMP受体蛋白I,随后通过SMAD1/5/8信号通路,促进成骨相关的基因表达,从而达到提升骨组织修复和再生的目的。该研究为生物材料开发提供了一种新的思路,即根据蛋白的特定结构有目的地对材料表面进行改性,以获得符合需求的新型材料,从而实现定向调控蛋白功能的目的。