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近些年来,纳米材料已经在很多科学技术领域得到了广泛的应用。作为其中发展最为迅猛的崭新领域之一,纳米医学目前得到了大家越来越多的重视。与传统材料相比,纳米材料由于其独特的物理化学性质,使其在生物传感,细胞成像,药物输运等方面有着显著的优势。理解纳米材料与生物体,尤其是与细胞间的相互作用对在生物医药领域更好地利用纳米材料(例如提高输运效率同时减少毒副作用)有着非常重要的科学意义。在本文中,我们将主要从理论模拟角度来研究上述问题,力图能够从微观介观角度揭示它们间的相互作用机理,从而对实验上设计新型纳米生物材料提供有益的启示。第一章,我们简要介绍了目前纳米材料与纳米技术在生物医学领域的应用。此外,我们从细胞内输运和细胞外输运两方面介绍了纳米材料在体内输运全过程,并指出了各个过程中存在的输运屏障。作为其中一个重要的屏障(细胞膜),我们接下来重点讨论了纳米粒子通过细胞膜的方式。在本章最后,我们还简要介绍了细胞膜的结构、组成和功能,以及类细胞膜结构的构建等。第二章,我们给出了目前研究纳米材料与细胞膜相互作用常采用的理论和模拟方法。我们简单介绍了其中的蒙特卡洛方法,经典分子动力学方法,布朗动力学方法。此外,我们重点介绍了耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法,包括它的主要思想以及其中一些参数的常见取法。在本章最后,我们还简要介绍了关于膜形变的Helfrich理论,并给出了其在特定条件下的简单形式。第三章,通过采用动力学键修饰双亲配体在纳米粒子表面,我们设计了种可以自发穿过细胞膜的纳米材料。我们发现,纳米粒子以及修饰配体的物理化学性质能够显著影响其穿膜效率和转运时间。在选择不对称修饰和不对称纳米粒子形状的情形下,我们发现穿膜效率有可能能够达到80%。此外,我们还研究了纳米粒子与不对称细胞膜间的相互作用,发现充分利用膜的不对称性可以将穿膜效率提高到90%以上。这种高效率和低毒性的新型纳米粒子有可能在药物输运、基因转染等方面有着巨大的应用前景。第四章,通过结合理论和模拟,我们发现硬纳米粒子与细胞膜间存在着三种不同相互作用模式,即弱吸附、部分包裹、全包裹；这些模式主要取决于纳米粒子尺寸、表面配体密度以及细胞膜表面受体密度。此外,我们的理论结果还表明部分包裹主要是由膜的四阶弯曲能造成的。此外,我们还发现在一定长度配体修饰的纳米粒子与细胞膜间还存在着受挫包裹模式(除了上述三种模式外),它主要来源于在内吞过程中配体在纳米粒子表面的自发不对称分布。缩短配体的长度,增加配体的密度或硬度,以及改变配体的亲疏水性都能够很好地促进纳米粒子的完全包裹。这些结果对于在生物医药方面设计特定功能的新型纳米粒子将有着重要的指导意义。第五章,我们发现在双面神纳米粒子与细胞膜相互作用过程中存在着两种截然不同的模式,即嵌入模式和包裹模式。对于嵌入模式,纳米粒子的疏水部分嵌入到细胞膜内而亲水部分暴露在细胞膜外；对于包裹模式,纳米粒子亲水部分由于特异性作用被磷脂头部包裹而疏水部分则被磷脂尾部所包裹。此外,我们发现,初始取向和纳米粒子自身性质对其与细胞膜问相互作用模式有着重要的影响。如果一开始亲水部分更靠近细胞膜,则双面神纳米粒子更易被包裹。另一方面,即便一开始疏水部分更靠近膜,包裹模式发生的概率可能依然大于嵌入模式。此外,当纳米粒子截面积较大或者亲水部分增加时,初始取向对最终结果变得很小。最后,我们还揭示了通过包裹模式与细胞膜相互作用的双面神纳米粒子更有可能从膜上脱落进入细胞内部。第六章,通过计算机模拟,我们报导了一种存在着pH响应性高分子的新型纳米药物输运系统。这种响应性的高分子材料在不同pH环境下能够自发地在纳米粒子表面吸附或解吸付,这会影响纳米粒子与细胞间的相互作用,从而能够很好地控制纳米粒子吸收效率。更重要的是,我们发现这里纳米粒子的细胞吸收存在三种不同的pH响应性,即在低pH和高pH情况下,粒子能够被内吞；而在中间pH时,内吞是被阻止的,这点与之前实验所报导的大不相同。此外,我们还发现纳米粒子和膜的带电性,以及受体配体间的作用强度和力程均可以影响纳米粒子与细胞间的相互作用。我们的结果对将来新型响应性纳米材料的设计及其在生物医药中的应用有着重要的指导意义。第七章,我们的模拟结果表明DNA的存在对不同性质纳米载体的细胞输运过程有着截然不同的影响。当纳米粒子表面的带电高分子较短时,DNA分子会阻碍膜上受体与纳米粒子表面配体间的相互作用,从而阻碍其内吞；当高分子较长时,DNA分子会促使纳米粒子表面配体均匀分布,从而能够有效地促进内吞；不过当高分子非常长时,DNA分子对内吞的影响不大。此外,我们发现自组装时DNA的浓度以及其DNA长度和纳米载体表面高分子密度也能够影响纳米载体与细胞的作用。此外,我们还研究了外界pH环境以及磷脂膜表面带电性对内吞过程的影响,发现低pH环境和膜的负电性(癌细胞固有属性)是有利于细胞内吞纳米载体的。这些结果对将来基因载体的优化设计有着重要的启示。第八章,我们研究了血浆蛋白在纳米粒子表面吸附行为及其对接下来纳米粒子细胞输运的影响。我们发现,血浆蛋白能够吸附于疏水粒子表面,形成硬蛋白环；也能够吸附于带正电的粒子表面,形成软蛋白环,而它不能够吸附在亲水不带电和带负电的纳米粒子上。此外,我们进一步揭示了蛋白吸附在纳米粒子与各类细胞作用过程中所扮演的不同角色。当与巨噬细胞作用时,蛋白的吸附会改变巨噬细胞与疏水纳米粒子的作用模式,不过却能够增强巨噬细胞对带正电纳米粒子的吞噬效率；当与癌细胞作用时,蛋白的吸附能够显著地降低(疏水和带正电)纳米粒子的细胞吸收效率。这些结果揭示了蛋白吸附对实际输运效率影响的内在分子机制,对实验上设计一些新型纳米材料提供了一些启不。第九章,我们对本文的工作进行了总结,并对今后的工作进行了展望。