关节软骨是一种具有明显可变形性的、特殊的组织。在关节软骨中,细胞外基质是一种由胶原纤维和蛋白多糖等成分组成的多聚体结构,这种结构为软骨组织提供了重要的力学性能。关节软骨中的胶原、蛋白多糖、间质液等成分之间的相互作用,形成了关节软骨特有的力学功能。但是,对于软骨当中各种成分有什么样的力学特性我们并不了解。并且使用实验的方法对这些成分的力学特性进行测定是存在一定难度的,实验的测定结果在很大程度上依赖于样本质量的好坏,并且实验过程中不能观察到微观水平下生物大分子的动态运动行为。在微观水平上,分子动力学模拟技术已经成为分析生物大分子体系的结构与动力学信息的有力工具。分子动力学模拟的基本模拟流程可以分为系统建立、能量最小化、平衡模拟、调控模拟与结果分析等步骤。本文针对关节软骨中的主要成分:胶原,借助分子动力学模拟方法,使用GROMACS分子动力学模拟软件包,结合胶原分子力学计算模型,对软骨中的胶原分子进行了单轴拉伸模拟仿真,并对其力学特性进行了分析,工作的主要内容及结果如下:第一,在CentOS系统上完成GROMACS软件包及相关软件的安装与调试工作。第二,根据胶原分子所处的生理环境,构建了一个长宽高分别为24nm×3.2nm×3.2nm的模拟盒子。内部含有6719个水分子,20个钠离子与20个氯离子的模拟体系,相当于一种简单的体液环境。针对胶原分子的单周拉伸分为两种不同的情况:(1)不同温度、拉伸速率条件下胶原分子单轴拉伸,这个过程中压强保持一定;(2)不同体系压强、拉伸速率条件下胶原分子单轴拉伸,这个过程中体系温度保持一定。在第一种情况下,对于不同拉伸速率,随着温度升高,胶原分子的杨氏模量值呈逐渐减小的趋势;对于不同的温度,随着拉伸速率增大,胶原分子的杨氏模量值呈逐渐增长的趋势。在第二种情况下,对于不同拉伸速率,随着体系压强增大,胶原分子的杨氏模量值呈逐渐减小的趋势;对于不同压强,随着拉伸速率越大,胶原分子的杨氏模量值呈逐渐增长的趋势。在拉伸过程中,胶原分子还表现出一定的率相关性。当拉伸应变小于0.24时,胶原分子的杨氏模量值较小,而当拉伸应变大于0.32时,胶原分子的杨氏模量突然增大。例如,以0.01nm/ps的拉伸速率对胶原分子进行拉伸,当拉伸应变小于0.24时,胶原分子的杨氏模量约为7.7GPa;当拉伸应变大于0.32时,胶原分子的杨氏模量约为24.7GPa。这说明胶原分子是一种率相关性材料。胶原分子的率相关性必然会在一定程度上对软骨的率相关性有影响。