近年来,随着纳米科技的迅速发展,纳米材料在人类生活中的应用越来越广泛。它们可以与多种生物分子相互作用,展现出纳米材料的生物功能。分子动力学（Molecular Dynamics,MD）模拟方法对于在纳米尺度和纳秒级别下研究纳米材料和生物分子之间的相互作用具有独特的优势,是实验部分的理论指导和补充。因此,本学位论文采用MD模拟的方法围绕低维纳米材料（纳米颗粒和纳米片）的生物相容性及其与生物分子的相互作用展开:（1）采用MD模拟的方法对金纳米颗粒（AuNPs）及铂纳米颗粒（PtNPs）的生物相容性进行研究、设计相对安全的纳米药物,并研究其与疾病相关蛋白的结合机制;（2）采用MD模拟的方法对二维纳米材料黑磷（Black Phosphorus,BP）、氮化石墨烯（C2N）、石墨烯（Graphene,GR）的生物相容性进行研究,并探索其与生物分子之间的相互作用机理。各章节主要内容如下:第一章绪论本章介绍了纳米材料的分类及其在生物体系的应用、纳米-生物相互作用在纳米材料和生物分子研究工作中的重要性,概述了本论文研究中所用的MD模拟方法以及本学位论文的主要研究工作和意义。第二章AuNPs的生物相容性和多功能纳米抗体理论设计的研究通过对纳米颗粒表面进行不同的生物分子修饰,使其具有某些特异的生物功能已成为目前研究的热点。本章采用MD模拟的方法研究了AuNPs与蛋清溶菌酶（Hen Egg White Lysozyme,HEWL）及表皮生长因子受体（Epidermal Growth Factor Receptor,EGFR）之间的相互作用,结果表明AuNPs对于抗原HEWL和EGFR具有较好的生物相容性,有进一步用于生物体系研究的潜力。在AuNPs表面交叉嫁接了两种自然抗体的互补决定区域（Complementary Determination Region,CDRs）,设计了一个新型的多功能纳米抗体。通过纳米抗体与抗原HEWL和EGFR之间的动力学研究,我们发现这种多功能纳米抗体可以同时与两种抗原蛋白HEWL和EGFR自发地结合,这种稳定的结合不影响抗原的基础结构。与自然抗体相比,多功能纳米抗体与抗原HEWL和EGFR之间更具亲和力。本章提出的纳米抗体设计策略不仅可用于抗体-抗原的相互作用,也可适用于各种蛋白质之间的相互作用。该研究也为纳米抗体和纳米药物的设计提供重要的理论依据。第三章α-突触核蛋白与不同粒径的n-MTAB AuNPs之间的相互作用α-突触核蛋白的聚集是引发帕金森氏病的主要原因之一,而MTAB AuNPs（（16-Mercaptohexadecyl）Trimethyl Ammonium Bromide,MTAB）具有抑制α-突触核蛋白聚集的潜力。本章采用MD模拟的方法探究了α-突触核蛋白和不同粒径的n-MTAB AuNPs（n代表MTAB中主链上CH2的数目）之间的结合模式,结果显示α-突触核蛋白的C端和NAC域可以定向结合到n-MTAB AuNPs表面。α-突触核蛋白和n-MTAB AuNPs之间的能量统计分析表明α-突触核蛋白的C端定向结合的主要驱动力源于静电作用。我们选择粒径最小的5-MTAB AuNPs、粒径最大的MTAB AuNPs与α-突触核蛋白体系作为主要分析和比较对象。当α-突触核蛋白与5-MTAB AuNPs相互作用时,α-突触核蛋白之间潜在的疏水力会减弱,从而防止α-突触核蛋白发生自聚。此外,通过α-突触核蛋白和纳米粒子之间的结合能分解和比较发现,α-突触核蛋白与纳米粒子之间的静电作用力不会因为纳米粒子的粒径大小发生改变,这是α-突触核蛋白的C端定向结合到n-MTAB AuNPs表面的关键因素。该研究为关于n-MTAB修饰的生物功能纳米颗粒的尺寸对生物分子在其表面行为的影响研究奠定理论基础,同时表明5-MTAB AuNPs不仅体积小,而且具有抑制α-突触核蛋白聚集的潜力。这为新型纳米药物的研发提供尺寸方面的理论指导。第四章新型纳米药物PtNP-SOR的生物相容性以及它与VEGFR2之间的分子机理研究短肽修饰的纳米药物也具有较好的生物相容性,但其靶向性不明显。基于PtNPs的各向异性,我们首次提出了一种新型的纳米药物PtNP-SOR,通过分子动力学模拟研究了PtNP-SOR的稳定性和生物相容性。探索了PtNP-SOR与血管内皮生长因子受体2（Vascular Endothelial Growth Factor Receptor 2,VEGFR2）的相互作用机理,并将其与肽2a包裹的PtNP（PtNP-2a）与VEGFR2的相互作用机理进行了比较。结果表明,PtNP-SOR可以更稳定地与VEGFR2结合,这是由PtNP-SOR与VEGFR2之间库伦（Coul）和强烈的vd Ws相互作用驱动的。根据它们对结合自由能的贡献,确定出VEGFR2中的关键残基形成了特定的空间而增加了与PtNP-SOR的亲和力。这项研究为PtNP药物的设计提供了新的见解,以及PtNP-SOR和VEGFR2在分子水平上相互作用的重要理论证明,对新型纳米药物的开发和优化具有一定的借鉴意义。第五章两种典型蛋白在BP、GR、C2N表面的吸附行为纳米材料的生物毒性是其在生物医药体系中应用的一个非常重要的问题。本章采用分子动力学模拟方法以具有α螺旋、β折叠和α/β混合结构的蛋白质研究了三种代表性二维纳米材料（BP、GR、C2N）的生物特性。结果表明α螺旋在BP表面发生了轻微的结构改变,而在C2N表面几乎没有改变。相比之下,β折叠的结构在BP和C2N表面均能保持完整。α螺旋和β折叠可以在BP表面自由移动,但它们在C2N表面被锚定。与BP和C2N相比,GR严重破坏了α螺旋和β折叠的结构。具有混合α/β结构的BBA蛋白吸附在BP和C2N表面上表现出的生物行为与α螺旋和β折叠在其表面行为一致。总之,C2N可能具有比BP和GR更好的生物相容性,并有望在生物医学领域中得到应用。这项研究不仅全面评估了纳米材料的生物学特性,而且为探索和区分纳米材料的表面特性提供了理论策略。第六章BP纳米片对SARS-CoV-2 S RBD和ACE2结合的影响严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2（The Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2,SARS-CoV-2）糖蛋白与宿主血管紧张素转化酶2（Angiotensin-Converting Enzyme 2,ACE2）的结合是导致感染严重冠状病毒病2019（COVID-19）的主要途径,并且SARS-CoV-2 S糖蛋白成为许多抑制剂的重要靶标。随着纳米材料在生物医学领域中的应用,BP纳米片由于其优异的特性而引起了更多的关注。本章研究了BP纳米片对SARS-CoV-2 S与ACE2相互作用的生物学效应。结果表明,由于ACE2的尺寸较大,可以通过非特异性相互作用快速并稳定地吸附在BP表面上。ACE2的结构完整性得以保留,意味着ACE2的正常生物功能没有受到影响。当SARS-CoV-2 S蛋白中受体结合结构域（Receptor Binding Domain,RBD）吸附在BP表面上时,大大减弱了RBD和ACE2之间的相互作用,如氢键、盐桥和范德华力,使得它们的结合变得更加缓慢且不稳定。这项研究不仅表明BP具有良好的生物相容性,而且还揭示了BP本身对具有阻止SARS-CoV-2 S糖蛋白与ACE2结合具有一定的减缓作用,为有效抑制SARS-CoV-2的感染提供了潜在而合理的药物载体。