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树枝形分子是一类具有树的拓扑结构的新型纳米级高分子。此类分子具有精确的分子结构，大量的表面官能团，相对疏水的内部空腔，独特的球形几何外观，可控的尺寸和分子量，卓越的单分散性，良好的水溶性，奇特的流体力学性质，以及表面易修饰性。树形分子结构上拥有聚合物和胶体的双重特性，因而其呈现出丰富且复杂的静动力学行为，从而成为软物质物理学中广泛关注的一个课题。此外，独特的结构特点和内在性质使得此类明星大分子在纳米复合材料，纳米反应器，光化学，纳米化学，单分子膜，污水处理，传感器，液晶，催化剂，药物运输，基因转染，肿瘤诊断等领域取得了重要的应用。近年来，树枝形分子在医药学领域显示出的令人激动的应用前景，吸引了越来越多学者的兴趣，特别是其作为药物和基因输运的载体引起科学家们广泛的关注。 基因治疗是把DNA，RNA或者反义寡聚核苷酸等物质输运到体内，通过这些物质来调整特定种类细胞中的基因表达，从而操纵细胞的分裂和生长过程，进而达到治疗的目的。基因疗法不仅可以治疗与基因相关的疾病（如胰腺囊性纤维化，一种单基因缺陷导致的致死性遗传疾病），而且在非基因相关的疾病也有特殊的治疗效果。例如，基因物质可以靶向到肿瘤细胞，通过表达产生特异性蛋白来诱导细胞凋亡。然而，如何安全高效的把基因物质输运到靶定细胞内，目前仍是一个尚未解决的科学难题。众所周知，基因物质或药物载体在到达靶定点并发挥其功能的过程中必须克服很多的障碍。譬如，在输运过程中基因物质必须受到载体很好地保护，从而免受外部环境中相关酶的降解而失去功能;基因及其载体形成的复合体，必须通过细胞膜屏障进入细胞内部，而且必须能从内吞体或溶酶体中有效地释放出来;有时候基因物质必须能进入细胞核;基因在发挥功能前必须在细胞内脱离载体，进而实现在细胞内的高效表达。 深刻理解基因载体复合体的形成，输运，释放，分离等机制对促进开发安全高效的药物载体起着至关重要的作用。对于树形分子来说，设计具有最优化功能的此类分子，必须搞清楚它们自身的结构及其动力学与外部环境的关系，比如说溶液的酸度，盐离子的浓度等都对其分子结构和分子在溶液中的动力学行为产生重要的影响。另一方面，为了提高树形分子载体的靶定效率，我们还需要获知树形分子和被输运分子（如DNA，RNA，药物分子）之间的相互作用;了解树形分子和体内蛋白以及生物膜这些重要屏障之间的相互作用。尽管实验技术（如小角中子散射）可以提供树形分子的结构因子，然而此类方法无法提供树形分子详细的三维结构。尽管实验手段可以提供树形分子和生物活性分子或生物分子间相互作用的大尺度的重要信息;但是目前的实验方法还无法解决原子水平的相关问题并弄清相关的具体机制。现在的研究已经表明计算和多尺度模拟方法可以弥补上述缺陷。本文旨在利用分子动力学模拟的方法研究树形分子在稀溶液中的结构特征以及树形分子和生物活性分子间的相互作用。 论文共包括九章。第一章对我们的研究对象，研究系统，研究思路，研究方法等进行了概括性的介绍。第二章首先全面概述了树枝形分子的结构和性质;其次介绍了药物分子，核酸分子，生物膜及其与树形分子的相互作用;最后总结了树形分子在多个领域的应用且特别阐述了其在药物输运，基因治疗中的应用。第三章简单介绍了分子动力学的基本知识和我们研究所采用的粗粒化的MARTINI力场。 第四章回顾和评论了近年来研究带电树形分子及其与其他分子（如DNA，siRNA，PEO，药物，细胞膜）间相互作用的理论和模拟工作。一方面，模拟可以辅助设计和开发具有良好生物功能的新型树形分子;另一方面，大尺度的模拟工作可以探究此类体系中呈现的物理现象，揭示其内在物理机制。定性和定量分析树形分子及其与其他生物（活性）分子之间的相互作用是理解和揭示药物输运过程中物理机制的重要一步。尽管目前已发表大量的工作，得到许多有价值的结果，但是此领域仍然存在许多问题尚待解决。 为了优化树形分子在高分子纳米材料，信息存储，电子通讯以及药物基因输运，医学成像方面的应用，我们必须充分理解树形分子结构等对外部环境的响应。为此，第五章中我们研究了四价盐离子在不同浓度下对带电树形分子的形态结构的影响。为了获得树形分子在高价盐溶液中详细的结构信息，我们分析了均方螺旋半径，径向分布函数，波形因子，平均有效电荷以及径向积分电荷等物理量，我们发现树形分子在高价盐溶液下显性出内密外疏的构型，并且其带电的末端功能团出现回咬现象。此外随着盐离子浓度的增加，树形分子的大小呈现先快速减小后缓慢增加的态势。我们认为这种结构转变的出现是因为树形分子内部渗透压随离子浓度的增加出现了变化。电荷反转现象随着盐浓度的增高也发生在我们的体系中。更有意思的是我们发现随着高价离子的加入，单价反离子从树形分子空腔中逐渐被取代出来。这种离子交换是工业污水处理采用的方法之一。 第六章进一步考察环境因素的作用，研究了溶液中不同化合价的盐离子对树形分子形态特征的影响。一方面，一价和二价盐离子在我们日常生活以及实际生命系统中很常见;另一方面，三价甚至四价金属离子和树形分子的复合体对加强树形分子催化功能和增强超分子纳米材料的光、电、磁以及电子转移性质方面也有广泛的应用。研究发现树形分子结构在单价盐溶液中对离子强度的依赖很微弱，在二价，三价，四价金属离子情况下，树形分子的大小随着盐浓度增加呈现先减后增的变化，并且在同一盐浓度下离子化合价越高树形分子就越小。然而内密外疏构型以及末端功能基团回咬现象并不依赖离子化合价的不同而发生变化。此外，我们还发现树形分子内部存在层状电荷分布，并且这种分布会随离子化合价和浓度的不同出现多态转变现象。比如说在一定盐浓度下，层状结构随着化合价的增高出现了从正-负-正，到正-负-正-负，再到负-正-负-正-负，最后到负-正-正-负的转变。这种层状结构的转变意味着多价离子相对于单价离子对树形分子静态结构产生了重要的影响。 药物分子，RNA，DNA这些客体分子或包裹在树形分子空腔内部，或通过静电相互作用和树形分子形成复合体，然后由树形分子载体输运到靶定位置。作为理解载体介导的药物和基因治疗的第一步，研究客体分子和树形分子相互作用对理解其是否能作为某类分子的理想纳米载体显得格外重要。实验发现这些纳米尺度的粒子的形态特征，比如说大小，形状，以及表面的有效电荷对其能否安全顺利地通过细胞膜屏障有很大的影响，并且和其毒性也有很大的关系。不同的客体分子由于化学成分不同而具有不同的硬度。为此，我们在第七章中利用分子动力学模拟定性研究了不同刚性的聚电解质分子和末端功能团带电的树形分子形成的复合体的静态结构行为。我们发现聚电解质分子的大小随其刚性不断增加，其形状从扁圆形变成扁长形，其结构也从“coil”型到“U”型或者“V”型再到“rod”型转变。同时，我们发现树形大分子的大小和形状不但依赖带电的客体分子的刚性而且也依赖于体系中的静电相互作用的强度。我们通过二种相互作用能（聚电解质弯曲能和聚电解质和树形分子之间的吸引能）之间的竞争来解释这一点。此外，我们发现随着聚电解质硬度的增加，有效电荷在二种介电质环境中都存在跳跃行为，但是电荷反转现象只在Bjerrum length比较大的时候才会出现。再者，径向数目分布函数表明客体分子刚性越强，它就越接近树形分子的表面。这一结论表明，单个阳离子树形分子可以作为输运柔性的阴离子客体分子的“药物”载体，但是却需要更多的树形分子来有效保护硬度大的客体分子。此外我们认为对于某一客体分子，其存在某一特定的优化刚性以便于其能和树形分子形成复合体在输运和释放中保持优良的特性（输运时不被降解，释放时较易脱离），我们的结果对于设计和优化活性分子的输运和释放具有重要的指导意义。 第八章采用粗粒化的模拟方法研究了溶液中pH值，反离子化合价以及树形分子自身表面修饰对其相互作用的影响。我们知道溶液的酸度不同，树形分子（如PAMAM）自身质子化的程度不同。高pH值的时候，树形分子呈中性;生理pH的时候，它只有末端的氨基被质子化;当pH比较低的时候，比如在内吞体或溶酶体中，树形分子上几乎所有的氨基都会被质子化。这种质子化程度的不同，对树形分子间相互作用有何影响呢？我们研究发现pH值的降低可以导致树形分子的有效直径大幅度增加。我们认为这种变化是导致内吞体破裂，药物分子及载体从中释放出来的机制之一。同时，我们也研究了体系中不同化合价的反离子对树形分子间相互作用的影响。我们发现树形分子在多价反离子溶液中出现类电吸引现象，我们认为离子间关联是类电吸引现象产生的诱因。此外，我们发现树形分子间相互吸引力随着分子间质心距离呈现“M”形的图景;这一图景可以通过类电吸引，静电作用，疏水作用和空间排斥作用之间的相互竞争加以诠释。目前表面修饰是最常用的降低树形分子生物毒性的方法之一，因此本章也研究了树形分子表面化学成分不同对于他们之间相互作用的影响。我们发现表面修饰对二者之间的相互作用有很大的影响，但是相对短的表面修饰并不能扭转树形分子之间产生聚集凝絮。这意味着我们必须对树形分子进行长链修饰才可以避免其在体内因聚集产生的毒性。我们的研究对于理解基因载体的释放机制，指导新型树形分子的设计有很重要的意义。 第九章对全文进行了总结。寻找安全有效的药物和基因载体是药物靶向输运，基因治疗等医学上亟需解决的重要问题之一。树形分子以其先天的特性在此领域颇具潜在优势，因此受到科学家的广泛关注。我们利用高分子方面的基础理论并结合分子模拟方法研究了树形分子在整个载药输运过程中形态结构的变化以及动力学行为，为实验学家操控这类明星分子提供了理论上的参考。同时，文中我们展望了未来可能的研究方向，阐述了建立一套多学科交叉研究平台的重要性。