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摘要氧化铁纳米材料具有优异的生物安全性和独特的磁响应特性，在生物医学领域发挥着重要的作用。深入理解氧化铁纳米材料结晶过程及其在生物体内与细胞的相互作用，可为优化材料合成工艺、提高氧化铁纳米材料性能、实现临床体内诊疗应用提供理论依据。受当前材料表征技术较低的时间/空间分辨率，以及复杂的细胞生理环境所限，难以从微观尺度对离子聚集、结构相变、纳米材料进入细胞等过程进行实时观测。<br>　　本文使用分子动力学（moleculardynamics，MD）模拟描述粒子间相互作用及运动状态，探究了氧化铁晶体成核生长及其与细胞膜相互作用的微观机制。首先，基于部分电荷模型与Coulombic-Buckingham势，拟合并验证了氧化铁力场参数。在此基础上，进一步模拟铁氧离子聚集和结构转变的过程，并提出一种基于多种群差分进化算法识别MD模拟体系中局部晶体结构的方法，实现对聚集体中离子排列方式的定量分析。最后，基于MARTINI粗粒度力场论述了温度与聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）表面修饰密度对纳米颗粒（nanoparticles，NPs）跨非对称膜的影响。主要研究内容包括如下几个部分：<br>　　（1）基于部分电荷模型与Coulombic-Buckingham势，拟合氧化铁力场参数。根据多种氧化铁晶体膨胀/收缩趋势以及每个离子的受力情况，构建目标函数。从计算梯度、求解最优可行方向、搜索最优步长三个方面，改进目标函数求解算法（Zoutendijk算法），加快收敛速度。在目标函数可行域空间中均匀生成多个初值向量，经初步筛选与聚类合并后作为迭代起始点求解目标函数，以保证在可承受的计算开销下拟合力场参数。得到的力场参数能够准确重现氧化铁晶体结构与力学性质，为研究氧化铁纳米材料的结晶过程奠定基础。<br>　　（2）使用上述力场参数，模拟铁氧离子聚集与重排的过程。在阴阳离子静电引力作用下，依次加入模拟体系的离子形成氧化铁聚集体。当聚集体中Fe2+离子与O2-离子数量达到50个后，本文拟合的力场参数重现出了聚集体由无序向FeO晶体结构的转变过程。随着Fe3+离子与O2-离子聚集增多，Fe2O3聚集体整体结构趋于致密，符合氧化铁晶体配位情况的离子（如6配位Fe3+离子和4配位O2-离子）数量逐渐增多，聚集体内部逐渐形成长程有序结构。在Fe2O3聚集体升温（弛豫温度从600K提高到1500K）过程中，聚集体逐渐由非晶态或短程有序结构（如ε-Fe2O3）向β-Fe2O3晶相转变。此外，高温环境也能够促进α-Fe2O3与Fe3O4晶体表面吸附的离子重排，有助于晶体外延生长。上述模拟结果均与已报道的实验观测相符，一方面可为氧化铁纳米材料合成工艺的优化提供理论指导，另一方面也体现了本文拟合的力场参数对描述氧化铁体系离子相互作用的优势。<br>　　（3）为了进一步分析模拟中聚集体结构变化，提出一种基于多种群差分进化算法的局部晶体结构识别方法。该方法以晶体结构作为匹配模板，结合模拟体系的几何结构与拓扑结构定义目标函数。通过多种群差分进化算法获得目标函数最优解，从而识别出模拟体系的局部区域中所有符合晶体有序排列的原子/离子。该方法不仅在对面心立方（face-centeredcubic，FCC）、六方堆积（hexagonalclosestpacked，HCP）、体心立方（body-centeredcubic，BCC）等简单晶体结构的识别任务中获得了与共近邻原子分析法（commonneighboranalysis，CNA）、多面体模板匹配法（polyhedraltemplatematching，PTM）基本一致的结果，还实现了对刚玉型结构（α-Fe2O3）、反尖晶石结构（Fe3O4）等复杂晶体结构的识别，并且能够将聚集体中晶面取向各异的晶体结构直接分割为独立区域。通过设置算法中的阈值参数，可调控离子的随机热运动对识别结果的影响程度。本文提出的方法仅基于模拟体系与目标结构的空间坐标，理论上能够解决任意结构的识别问题，为MD模拟的结果表征提供新的思路。<br>　　（4）基于MARTINI粗粒度力场模拟了在不同温度下，多种PEG表面修饰密度的NPs跨非对称细胞膜的过程。结果表明升温缩短了NPs的跨膜时间，主要原因在于较高的温度增加了细胞膜中磷脂分子的结构无序性与横向扩散性。而PEG修饰产生的空间位阻则会抑制NPs的跨膜。在NPs跨膜过程中，PEG分子构象发生剧烈变化，引起“浮潜效应”，以增大NPs表面与细胞膜疏水性区域的接触。表面修饰密度增大将削弱PEG分子的构象改变，促使细胞膜两侧亲水性粒子连通，从而导致膜两侧磷脂分子翻转交换数量增多，对维持膜的非对称性产生不利影响。模拟结果较系统地阐述了温度与PEG修饰对NPs与细胞膜相互作用影响的原因，对磁性纳米材料在磁热疗与化疗协同治疗中的应用具有指导意义。