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羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2, HAP）是一种应用前景广阔的生物活性陶瓷。生物分子与HAP表面的物理化学作用与HAP在生物医学上的应用息息相关。介导细胞响应的蛋白质能够促进HAP植入材料的骨整合；同时，HAP在生物模板精密调控下矿化形成不同形貌的晶体给新型生物材料的开发及应用带来启发。论文主要采用分子模拟预测和理解蛋白质在HAP表面的吸附行为，主要内容及要点如下：1.结合并行退火蒙特卡洛（Parallel tempering Monte Carlo, PTMC）和分子动力学（Molecular dynamics, MD）方法分别对纤连蛋白第三结构域第十模块（FN-III10）和第7-10模块（FN-III7-10）在带钙离子空穴的HAP（001）面的取向及吸附机理展开研究。PTMC结果表明，带正电表面有利于FN-III10和FN-III7-10以RGD活性位点朝向溶液的取向吸附，即FN-III10以“侧立（side-on）”取向，FN-III7-10以“平躺（lying）”取向吸附，预测结果得到相关实验的支持。在MD模拟中，FN-III10吸附由静电作用驱动转变为由范德华作用主导。在范德华作用主导的弱吸附下，FN-III10吸附在表面水层之上。吸附构象变化主要发生在FN-III10卷曲和环形区域。FN-III7-10经历了由弱到强的吸附过程，随着碱性残基Arg1421锚定到HAP表面，吸附驱动力由范德华作用转变为静电作用。吸附过程中，链状FN-III7-10表现出相当的链柔性。其中III10模块对吸附的贡献最大，构象变化也最大；而距离HAP表面最远的III7模块受溶剂的影响最大。胍基与钙离子空穴形成的强烈稳定的锚定作用表明，含离子空穴的生物材料有限定特定氨基酸残基的能力。2.结合副本交换分子动力学（Replica-exchange molecular dynamics, REMD）和常规MD研究碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）在HAP（001）面的吸附机理。在常规MD有限的模拟时间内，bFGF无法穿过HAP表面的水层。而在REMD中，bFGF能够穿过表面水层并得到三种优势吸附构型：“肝素结合位点朝上（HP-up）”，“肝素结合位点居中（HP-middle）”和“肝素结合位点朝下（HP-down）”。其中，“肝素结合位点居中”取向同时有利于bFGF/FGFR信号通路和DGR-整合素信号通路；吸附作用能最大（-1149±40kJ·mol-1）；占据约52.1~52.6%的吸附比例；诱导bFGF蛋白构象变化最大。而“肝素结合位点朝上”和“朝下”取向只支持DGR-整合素信号通路；吸附作用能较小，分别为-1022±55和-894±70kJ·mol-1；分别占27.4~27.7%和19.7~20.5%的吸附比例；构象变化较小。在弱正电HAP表面的静电效应下，近80%的蛋白偶极朝向溶液。优势吸附构型中，通常有2~3个碱性基团与表面形成锚定作用并贡献210~332kJ mol-1的吸附作用能，或伴随着一个酸性基团贡献~207kJ mol-1的吸附作用能。每个优势吸附构型的主要吸附位点在带钙离子空穴的HAP表面形成具有几何稳定性的三角形或四边形拓扑匹配，从几何学上稳定了吸附取向和吸附态。3.结合REMD和伞形取样研究生长调节素B（SMB）软蛋白在HAP（001）面上的吸附机理及吸附自由能。由REMD得到两种优势吸附构型，即“RGD朝上（RGD-up）”和“RGD居中（RGD-middle）”，分别占52%和48%。比例较大的“RGD朝上”取向更有利于细胞粘附。SMB通过强烈的静电作用和氢键与HAP表面发生作用，其中“RGD居中”取向的吸附作用能比“RGD朝上”大，分别为-870±46和-853±36kJ·mol-1。SMB结构在水中和靠近表面表现出显著的柔性，尤其在残基1-17和残基40-51，这与实验结果一致。SMB以“RGD朝上”取向侧立吸附时，表现出更多的无规则卷曲结构；而以“RGD居中”取向平躺吸附时，残基24-28能够保持较好的螺旋结构，同时在残基8-16段出现β折叠。因此，HAP表面在一定程度上能够诱导蛋白形成规整有序结构。PMF计算表明，“RGD朝上”取向的吸附自由能比“RGD居中”取向稍大，分别为-22.8±2.1和-19.8±1.1kJ mol-1，这与由REMD得到的两种取向分布一致。因此，SMB更倾向以自由能更低的“RGD朝上”取向吸附在HAP表面，也更有利于RGD-整合素信号通路。4.采用MD模拟对骨钙素多肽在4种平整和纳米级粗糙化HAP表面不同强度的结合展开研究，探索骨钙素对HAP晶体生长的影响。研究发现，骨钙素多肽选择性与凹凸纳米形貌的（100）面强烈结合。多肽与表面之间强烈静电作用，氢键和离子互补效应揭示了骨钙素多肽与HAP表面之间可能的拓扑匹配发生在（100）面。与实验现象一致，骨钙素多肽开放的构象能够使更多的基团与HAP表面接触。进而我们提出了骨钙素调控HAP晶体生长的机制：当HAP晶种在骨钙素存在的溶液中生长时，骨钙素通过其带正负电残基（Gla，Asp和Arg）占据HAP（100）表面部分的钙离子和磷酸根离子空穴，减缓了钙离子和磷酸根离子在（100）表面的沉积，最终引导晶粒沿[001]方向生长。