近年来,类石墨烯纳米材料由于优异的光、电、热以及催化等物理化学性质,在生物医学材料和纳米器件应用领域备受关注。然而,随着纳米材料研究的深入,纳米材料的生物安全性问题,尤其是纳米材料对人类健康selleckchem和环境造成的潜在危害日益引起人们的广泛关注。因此,系统探索纳米材料与生物分子相互作用的规律和对生物分子结构的影响,深入理解纳米生物效应尤其是毒性的分子机制,是未来纳米生物和医学应用的重要前提条件。此外,利用类石墨烯材料的丰富的物理化学等特性,可以构建具有特定功能的纳米器件。其中,通过构建异质结,不仅可以整合不同材料的优越性能,还会产生独特的物理、化学和电学特性,在纳米器件领域具有广泛的应用前景。本论文以纳米材料的物理性质及其生物医学应用为切入点,基于分子动力学模拟方法,系统研究了类石墨烯纳米材料与蛋白质等生物大分子的相互作用过程,并根据类石墨烯材料的不同特性设计了功能纳米器件的理论模型。本论文的主要研究内容如下:第一,我们探究了硼化石墨烯(boron carbide,BC3)和氮化石墨烯(polyaniline carbon nitride,C3N)两种纳米片层分别与富含α-螺旋和β-折叠蛋白质的相互作用,对蛋白质与两种纳米片的吸附过程和结构演变进行了分析和比较。结果表明,蛋白质分子能够快速地与两种纳米片表面形成稳定的结合。在这个过程中,范Targeted oncology德华吸引力和π-π堆叠是吸附力的主要来源。同时我们发现,这种结合会破坏蛋白质分子中的氢键,从而造成其二级结构的损伤。重要的是,我们还发现C3N对于蛋白质分子的吸附要比BC3更强,导致蛋白质结构发生更明显的破坏。这些研究结果在分子水平上揭示了 BC3和C3N具有潜在的生物毒性及其物理机制,对其在生物医学领域中的应用具有重要的参考价值。第二,基于我们发现的BC3和C3N与生物分子吸附强度的差异性和晶格结构的相似性,我们从理论上设计构建了面内异质结和层间异质结两种不同类型的纳米器件模型,并应用于不同的领域。对于面内异质结,我们提出了一种新型二维(2D)漏斗状异质结构平台,通过电场开关实现对多肽自组装状态的调控。具体来说,施加外部电场驱动多肽寡聚体穿过2D漏斗,由于漏斗结构的空间位阻效应,多肽寡聚体分解成单个肽链。当去除电场,这些分离的肽链又自发地重新聚集在一起。该器件在一定程度上控制了多肽自组装的动态行为,为深入研究肽的结构和性能提供了有效的手段。另外,对于层间异质结,我们设计了纳米孔器件模型,可以实现蛋白质分子的自主转运。在没有外部刺激的情况下,由于C3N表面对残基的吸引力强于BC3,从而吸引蛋白质从BC3表面通过纳米孔运转到C3N表面。这种设计可以有效地实现蛋白质的定向输运,为固态纳米孔检测器件提供了新的设计思路。第三,我们研究了一种具有本征褶皱结构的二维纳米材料,磷碳烯(α-phase phosphorene carbide,α-PC),其皱褶的表面使得蛋白质只能沿zigzag方向自由迁移,而沿着armchair方向的迁移则会受到能垒的限制。基于这种独特的结构各向异性,我们构建了一种基于α-PC的纳米通道,其纳米尺度的凹槽可以与单个核苷酸分子形成特异性的结合模式,从而能够有效调节核苷酸在其中的电输运速度。理论模拟表明,在0.7 V/nm的电场强度下,四种核苷酸之间的速度差异性最明显,可以实现核苷酸的高精度检测。这项研究为单分子检测和纳米孔测序提供了一种新的解决思路,并且为设计高精度纳米通道检测生物和化学分子提供了有益参考。综上所述,本论文深入探讨了几种典型纳米材料与蛋白质等生物大分子相互作用的规律和物理机制,并利用纳米材料构建了两种不selleck合成同类型的异质结器件和α-PC纳米通道,实现了对生物分子运动的精确控制和调控。这些研究成果不仅揭示了类石墨烯纳米材料生物学效应的物理机制,还为纳米器件的设计和构建提供了创新的思路和方法,通过纳米结构工程有望实现更高灵敏度和更高分辨率的检测,为生物医学和生物技术领域的研究和应用提供有力的支持。