细胞膜是细胞内外物质交换的关键界面。在人体内,一些小分子主要通过渗透方式或特定通道跨膜输运,而一些大分子及其复合物则主要通过内吞方式跨膜输运。与此类似,人工合成的纳米材料采用渗透或内吞这两种方式进入细胞。深入研究纳米材料/生物分子与细胞膜的界面作用,不仅能够加深对一些基本生命过程的理解,同时也能对它们在各个（特别是生物医学）领域的实际应用起到重要的指导作用。因此,本文使用跨尺度分子模拟方法以及膜弹性理论,刻画了纳米粒子、生物分子跨膜输运的热力学行为及动力学过程,深入研究了它们的物理化学性质及外界环境对细胞输运效率的影响,并揭示了不同情况下跨膜输运的物理机制,为实验上设计新型纳米材料提供了重要的理论依据。在第一章,我们介绍了细胞膜的背景和相关理论,并围绕细胞膜的跨膜输运问题,分别介绍了细胞膜和纳米粒子/生物分子各自的特点和相互的联系,包括它们的研究背景和在体内的跨膜输运过程。在第二章,我们介绍了常用于研究纳米粒子/生物分子与细胞膜相互作用的分子模拟方法。首先详细描述了本文中使用的耗散粒子动力学和全原子分子动力学方法,以及这两种方法中的参数（力场）选取思路和相关理论基础;接着介绍了分子模拟中常用的自由能计算方法;最后我们还简要介绍了本文中所使用的分子模拟软件。在第三章,我们研究了纳米粒子的跨膜输运（内吞）问题,在提高纳米粒子的跨膜输运效率的基础上,精确调控它的跨膜能力。我们通过耗散粒子动力学模拟系统地研究了一种纳米粒子复合体（通过聚合物链连接的两个纳米粒子）的细胞内吞行为。研究发现,这种复合体在细胞摄取过程中表现出协同包裹作用,比单个纳米粒子具有更高的摄取（内吞）效率。此外,我们还讨论了聚合物链的理化性质对纳米粒子复合体摄取能力的影响,结果发现聚合物的长度、刚性和疏水性对它的摄取能力起着重要影响,而聚合物内部的化学键强度则影响不大。更重要的是,我们发现通过调节聚合物的刚性,还可以使纳米粒子复合体牢固地粘附在细胞膜表面而不被细胞内吞,从而实现对纳米材料不同生物医学功能的调控。在第四章,我们进一步研究了纳米材料的跨膜输运（渗透）问题。通过全原子分子动力学模拟,我们系统地研究了表面修饰全氟辛硫醇（和作为对照的辛基硫醇）的金纳米粒子渗透进入细胞膜的物理机制,以及这两种纳米粒子对细胞膜性质的影响。研究发现,细胞膜中的磷脂类型和膜表面张力对这种氟化金纳米粒子的渗透能力有着重要影响。通过分析两种纳米粒子在水中及渗透过程中的表面配体分布,我们揭示了两者的渗透特性,即氟化纳米粒子具有双疏性（疏水且疏油）,而烷烃链修饰的纳米粒子仅表现出疏水性。最后,我们发现通过调节纳米粒子表面配体的氟化程度,可以增加纳米粒子的渗透能力。在第五章,我们研究了生物分子的跨膜输运（渗透）问题。与尺寸较小的纳米粒子类似,生物分子的渗透机制和生理毒性与它自身的结构特性高度相关。我们深入研究了一种pH敏感的多构象异构生物分子（胆红素）渗透进入细胞膜的动力学过程。通过全原子分子动力学模拟,我们系统考察了不同构象的胆红素和细胞膜在不同pH条件下的作用方式,发现在正常生理环境下,Z,Z-构象的胆红素占主导,其主要表现出疏水性,从而易嵌入到细胞膜的内部（磷脂尾部疏水区域）。然而在外界蓝光照射条件下,胆红素会从Z,Z-构象转变成E,E-构象,表现出一定的亲水性,尤其在细胞膜表面发生聚集时自身的渗透能力大幅降低,从而有效降低它的细胞毒性。我们的研究结果对理解胆红素穿膜的微观机制,特别是蓝光照射用于胆红素代谢乃至治疗黄疸的科学性提供了重要的理论依据。在第六章,我们对本文的工作进行了总结,并对未来可能开展的工作进行了展望。