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纳米颗粒在生物医学领域有着广泛的应用，而对于纳米颗粒生物效应的深刻认识，是纳米颗粒应用的重要基础。纳米颗粒的生物效应依赖于颗粒独特的理化性质，包括尺寸、亲疏水性质、形状、表面电荷密度和聚集态等。细胞是生命体的基本活动单元。在纳米颗粒和细胞相互作用的诸多研究中，颗粒对细胞膜作用机制的相关研究，对揭示纳米颗粒的生物效应是至关重要的。近年来，随着计算机软硬件条件的发展，理论计算方法在微观尺度生命现象的相关研究中，发挥了越来越重要的作用。在已有相关的计算方法中，大规模分子动力学模拟计算为纳米颗粒对细胞膜作用的微观机理研究，提供了有力的理论工具。
本论文主要应用分子动力学方法，分别针对纳米颗粒的尺寸、亲疏水性质和表面电荷密度等三种不同的性质，对纳米颗粒与磷脂膜作用的影响等问题，进行计算机模拟计算及其相关的机理分析。
1）首先，模拟了尺寸因素对纳米颗粒对磷脂膜的嵌入行为的影响。以所用磷脂膜的厚度（4nm）为纳米颗粒的尺寸划分标准，分别考察了尺寸小于膜厚和尺寸大于膜厚的两组纳米颗粒对磷脂膜的作用情况。对于尺寸小于膜厚的纳米颗粒，文中构造了三种不同尺寸的纳米颗粒模型：NP1～1.2nm，NP2～2.1nm，NP3～3.0nm，并分别对纳米颗粒与磷脂膜作用过程中，膜结构的变化、颗粒入膜的动态信息和体系的热力学变化等问题进行了讨论。在模拟中发现，疏水性颗粒能够渗透进入膜中，颗粒的嵌入行为是自发的。对于尺寸小于膜厚的纳米颗粒而言，较大的颗粒更容易扩散进入磷脂膜的内部。颗粒的嵌入会影响膜结构，磷脂膜在嵌入区域的平均单脂而积变大，这种变化会随着嵌入颗粒尺寸的增大而变得更为明显。纳米颗粒嵌入膜中后，仍会在膜的内部运动，但其运动轨迹基本会保持在膜质心平面附近。颗粒在膜内的运动情况与颗粒的尺寸相关，随着尺寸的增加，纳米颗粒的扩散率呈减小的趋势；同时，颗粒的膜内运动也和颗粒周围的膜分子密度分布相关。随着颗粒在膜内的逐步深入，其在膜法线方向的平均入膜时间也逐渐呈现出非线性变化的趋势。随后，又考察了尺寸大于膜厚的颗粒与磷脂膜的作用情况，同样涉及三种尺寸的纳米颗粒模型：NP4～4.8nm，NP5～6.5nm，NP6～8.5nm。模拟发现，当颗粒尺寸大于膜厚时，大尺寸的颗粒能否完全嵌入膜中取决于颗粒的亲疏水性质，这个现象可能与磷脂膜-水界面的张力相关。从上面的分析可知，纳米颗粒的嵌入行为与颗粒的属性和尺寸有关，同时也会受到膜分子的热涨落运动的影响。
2）接着，模拟了颗粒的亲疏水性质对纳米颗粒与磷脂膜作用的影响。模拟考察了疏水和亲水两类不同性质的纳米颗粒对磷脂膜的作用情况，两种颗粒的尺寸均为～10nm。通过计算发现，不同的亲疏水性质会导致纳米颗粒与磷脂膜不同的作用方式。疏水颗粒会嵌入膜内，由于所选纳米颗粒的尺寸大于磷脂膜的厚度，这种嵌入行为会导致磷脂双层膜的正疏水匹配；而亲水颗粒只是吸附在膜上，磷脂膜在颗粒吸附的位置会发生弯曲，但并没有膜完全包裹颗粒的现象发生。通过自由能的计算，分别对亲疏水两种颗粒与膜作用过程进行了讨论：无论嵌入还是吸附，两种颗粒与磷脂膜的作用过程都是自发的行为，其中，亲水性颗粒不太可能通过类似疏水颗粒的渗透方式入膜，而可能会通过细胞的内吞机制跨膜，但在模拟中发现，磷脂膜对亲水颗粒的完全包裹过程存在着一个显著的能量势垒，克服这个能量势垒需要外界物质或能量的辅助。另外，模拟中还考察了纳米颗粒与膜脂质分子的不同组分之间，和颗粒与水分子之间相互作用的势能变化；以及颗粒作用过程中，磷脂膜结构随时间的变化情况。从膜表面脂质分子密度变化图来看，无论嵌入或吸附，两类颗粒的作用都会引起膜自身的形变，但这两类影响都是短程的。
3）最后，模拟了表面电荷性质对纳米颗粒与电中性磷脂双分子层膜作用的影响。模拟涉及三类不同性质的亲水颗粒：电中性颗粒，表面正电性颗粒和表面负电性颗粒，对每种带电颗粒又分别考察了四种表面电荷密度的情况。通过计算发现，颗粒表面电荷与DPPC分子头基带电部分之间的静电作用会促使亲水颗粒吸附在膜上；不同电性纳米颗粒的吸附行为会导致膜脂质分子序参数的不同变化，而脂质分子的这些微观变化最终会影响磷脂膜宏观结构的变化。表面电荷密度的增强，会导致吸附在膜表面的颗粒进一步被膜包裹。而不同电性表面导致纳米颗粒被膜包裹的程度是不同的，正电性表面会抑制吸附在膜上的颗粒被膜包裹；而负电性表面会促进膜对颗粒的包裹行为。模拟中对纳米颗粒与磷脂膜作用过程的能量变化情况也进行了相应计算。通过对自由能、熵、焓等热力学参数的计算发现，虽然表面电性导致的颗粒吸附行为都是自发的过程，但不同电性颗粒的吸附对应着不同的能量变化过程。对于表面电荷密度较低的带电颗粒而言，正电性颗粒的吸附是熵在起主要作用，而负电性颗粒吸附的主要推动力是焓。随着表面电荷密度的增大，带电颗粒会逐步被膜包裹，其主要推动力是颗粒表面电荷与DPPC分子头基带电部分之间的静电作用，同时，包裹的过程还需要克服膜自身的弹性弯曲能。