生物分子与固体材料之间的相互作用是纳米技术、生物材料和生物技术中的基本问题。深刻地理解两者间的相互作用是如何影响生物分子的构象变化和取向，有助于人们更好地探究生命的起源，设计出合适的生物功能材料，用于疾病的预防和治疗。碳（C）作为一种重要的生命元素，它所形成的低维纳米材料如：零维的富勒烯，一维的碳纳米管，二维的石墨烯等与其他的无机纳米材料相比具有更好的生物兼容性，可以利用表面包覆或吸附生物活性分子（如药物、蛋白质、核酸等）等方法作为有效的药物载体应用于医药和治疗等方面。但是由于碳材料的表面具有强疏水性，在细胞中易于聚集，对细胞具有一定的毒性，因此不能直接用作药物载体。解决这一问题的主要途径是通过碳纳米材料的表面共价或者非共价修饰来提高其在机体内的分散性。其中，非共价修饰可以更好的保持碳原子的杂化状态和材料自身的化学结构、电学性质以及力学性能，近年来发展迅速。尤其是蛋白质或者DNA等生物分子在碳纳米材料表面的吸附已逐渐成为碳纳米材料用作药物载体的基础。目前在计算机模拟和实验两方面都可以观测到生物分子自发吸附在碳材料表面的现象。为研究这类过程在分子尺度上发生的微观细节以及多种影响因素的综合效应，计算机模拟已经显示出了巨大的优势，成为了除实验手段之外有力的研究工具。本论文主要利用分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟方法研究了具有不同结构的多肽分子和蛋白质在一系列碳纳米管、石墨烯表面的吸附动力学行为，揭示了多肽/蛋白质分子与低维碳材料界面的相互作用机理,并以此为基础进行了分子设计。本论文的研究为低维碳纳米材料的非共价修饰提供了修饰分子模型，阐释了修饰分子在材料表面的作用机理，为蛋白质的纯化分离、药物分子设计、生物材料的开发提供理论支持。主要研究成果如下：1、选取了富含α-螺旋的胰岛素和β-折叠的WW结构域作为研究对象，研究了二者在碳纳米管表面的吸附行为和吸附差异。筛选出关键作用残基，并基于多肽分子与碳纳米管之间的关键吸附因素，设计出两类富含长链烷烃基团和富含芳香环残基的高效吸附多肽分子。2、设计了20种由单一氨基酸组成的多肽分子，研究了这些小肽分子在石墨烯表面的吸附行为，并对吸附状态、吸附作用力、吸附基团取向和吸附强度等进行了比较和分类研究。发现在氨基酸的四种类型中，酸性氨基酸不利于生物分子在石墨烯表面的吸附，而碱性、非极性和极性氨基酸成为易吸附的残基，同时多肽分子的吸附状态受到其自身结构的影响较大。3、探讨了胰岛素和WW结构域在石墨烯表面的相互作用机理，比较了它们在石墨烯和碳纳米管表面的吸附差异，研究了蛋白质在具有不同曲率碳材料表面的吸附情况，并对这些体系中各种蛋白质在吸附过程中的构象取向变化、吸附行为和动力学等问题进行了深入的讨论。研究发现多肽分子更易于在具有平面结构的石墨烯表面铺展；蛋白质分子中的关键作用残基会沿着碳材料的不同曲率对其进行包覆；蛋白质中的卷曲结构更易于吸附在碳材料表面；与简单二级结构不同，具有复杂三级结构蛋白质的吸附状态受到结构的影响更大，此外多肽与石墨烯之间的范德华作用力能够破坏多肽分子的二级和三级结构。