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低维材料在带来巨大科技革新和经济效益的同时，其安全性评价也日益引起人们的重视。探索低维纳米材料与生物细胞的作用机制并评估其生物毒性，扬长避短设计制造生物友好或抗菌抗病毒的纳米药物，成为生物力学、生物物理和生物医药等领域前沿的研究方向，对于纳米材料的生物医学应用和生物安全管理具有重要的意义。本研究利用粗粒化分子动力学(CGMD)方法关注了低维材料的几何形状、刚度及其表面亲疏水性质对其穿透细胞膜行为和效率的影响，通过构建球形柔性纳米颗粒，研究了表面亲疏水改性及其颗粒刚度耦合影响其穿透细胞膜效率的规律，并通过穿膜模式的分析阐述了耦合调控的机理；此外，受到实验观察的启发，研究了具有特殊几何形状的锥形石墨烯与细胞膜之间的相互作用，并发现了石墨烯锥自发进入细胞膜的两种模式，通过能量的角度阐述了两种穿膜模式的行为特征，理论分析了穿膜能垒与锥角大小和尺寸之间的关系，发现锥形纳米材料与细胞膜接触时，以熵驱动的最优化接触姿态减少穿透能垒。此外，我们还通过表面亲疏水的功能化改性，实现了对锥形纳米材料接触细胞膜行为的调控，并分析了亲水改性的排布破坏细胞膜的毒性特征。研究结果为低维材料接触细胞膜的行为模式及其生物应用毒性规律和安全性控制提供了分析依据。