生物分子和固体表面之间的相互作用是自然界一个非常普遍但又十分复杂的现象,是纳米技术、生物材料和生物技术中的基本问题,在生物矿化、组织工程、生物材料、生物传感器、药物输运与分离等领域均有涉及。例如,蛋白质在羟基磷灰石(HAP)表面的吸附是植入机体内的材料与组织作用的第一步,机体细胞通过表面受体与吸附蛋白质相互识别,引起后续的生理反应,这要求在医疗移植材料如骨骼、牙齿、皮肤或组织的移植过程中,所选择的蛋白质具有优异的粘附性能,才能保证移植物与肌体有良好的生物相容性,并最大程度的恢复移植物的生理功能。控制各种材料表面吸附的蛋白质的数量、排列及构象成为了材料最终品质的决定因素。在纳米微孔中,生物分子具有与体相中不同的性质,如催化性能的增强、蛋白质结构稳定性的增加、蛋白质新的折叠机理、有序的水分子结构等。这些特殊的现象使得微孔纳米材料,例如碳纳米管在生物医药材料,药物输运系统,基因快速测序,生物传感器等领域都有广阔的应用前景。利用量子化学计算以及分子模拟研究生物分子与固体材料的相互作用,已经显示出了强大的优势,成为了除实验手段外有力的研究工具。本论文首先利用分子动力学(molecular dynamics, MD)和操控式分子动力学(steered molecular dynamics, SMD)模拟研究了含有细胞结合位点的纤连蛋白的子模块在亲水性的羟基磷灰石(001)表面的吸附和脱附行为、吸附过程的驱动力及吸附位点、吸附对细胞结合位点以及后继细胞粘附的影响。在此基础上,我们利用分子动力学模拟研究了人血清蛋白(human serum albumin, HSA)的子模块在不同孔径的疏水性单壁碳纳米管表面的吸附动力学行为,研究揭示了在碳纳米管表面诱导下的蛋白质构象变化。接着我们构造了表面携带不同电荷的亲水性碳纳米管表面,并以中性的疏水碳纳米管表面作为参照,利用分子动力学模拟研究了胰岛素多肽在不同电性的碳纳米管表面的吸附行为及吸附动力学,发现了碳纳米管表面有序水分子对蛋白质吸附重要的调节作用。最后,我们利用量子化学的方法,对水分子在不同手性碳纳米管内部的输运进行了三维势能面的扫描,解释了水分子在不同手性碳纳米管内部的排列方式,扩散途径和输运机理。本论文的主要研究结果如下：1.由于羟基磷灰石(001)表面附近不同残基亲疏水性及带电荷的差异,使蛋白质在表面附近的构象进行局部的重排,并且导致二级结构部分或完全地缺失。静电相互作用被证明是蛋白质在羟基磷灰石表面吸附的驱动作用力,是蛋白质与羟基磷灰石表面相互作用的主导作用力,带净电荷的-COO-和-NH3+显示了与羟基磷灰石表面之间最强的相互作用。与细胞粘附的活性相关的RGD三肽序列的构象,在以不同的初始取向吸附到羟基磷灰石表面的FN-Ⅲ10中显示了极大的差异性,而构象的改变可能会影响RGD三肽序列的生物活性。2.通过对蛋白质吸附过程中相互作用能曲线的研究以及模拟轨迹的动画,我们发现,蛋白质的构象和取向选择性由表面的性质和形貌所诱导。在蛋白质越过不同的能垒之后,与表面有较高亲和性的一个或多个残基开始吸附在碳纳米管表面,并使相互作用能下降到下一个台阶。在吸附过程中,模型蛋白中α螺旋的二级结构受到轻微影响。然而,连接这些α螺旋的无规则卷曲区域则发生明显的形变,这导致了模型蛋白的三级结构发生了较大的变化。这些构象变化可能较大地影响蛋白质的生物活性。3.与模型多肽在中性碳纳米管表面的吸附相比,在带电荷的碳纳米管管壁外更加有序的水化层阻止了模型多肽在带电荷的碳纳米管表面更加紧密的吸附。这种水分子的屏蔽效应使多肽在带电荷的碳纳米管表面的构象变化更小,但由于模型多肽与带电荷表面强烈的静电相互作用,在两种表面携带电荷的体系中,多肽与碳纳米管表面的总相互作用能比多肽与中性碳纳米管之间的更强。这个现象提示我们,通过各种方式使碳纳米管表面携带一定数量的电荷,也许可以同时达到两方面的目的：增加多肽/蛋白质在碳纳米管表面的吸附强度,并且保持多肽/蛋白质构象的完整性。4.通过对armchair (14,14)和zigzag (24,0)碳纳米管中水的势能面的扫描,我们发现水分子在armchair (14,14)纳米管中扩散途径的能垒大大低于在zigzag(24,0)碳纳米管中的扩散能垒。势能面的扫描也表明在armchair (14,14)纳米管中,水分子沿着圆柱表面以螺线形路径进行扩散,而在zigzag (24,0)碳纳米管中水分子倾向于围绕碳纳米管的中心轴作圆周运动。