石墨烯及因其独特的物理、化学、电子和力学性质在高能物理和材料科学上有着广泛的应用前景。同时,它的生物效应以及在纳米生物技术上的应用也受到了关注。但是,石墨烯是一种非极性材料,不溶于水,而它的衍生物氧化石墨烯,由于碳平面两侧的羟基和环氧基,以及平面边缘的羧基等含氧的极性基团的存在,使得氧化石墨烯有着更丰富的物理化学性质,包括良好的水溶性。因此,氧化石墨烯取代石墨烯在纳米生物技术领域引起人们浓厚的兴趣,在药物输运、生物传感和人工受体等方面已经开展广泛的研究,并显示出良好的应用前景。分子动力学模拟是实验研究的一种有效的辅助手段,能够提供石墨烯及氧化石墨烯与生物大分子相互作用的详细信息,包括相互作用能以及生物大分子的结构变化等等,对实验现象进行解释和理论分析,对认识诸如石墨烯之类的碳纳米颗粒的生物效应具有重要意义。本论文主要运用分子动力学模拟的方法,分别针对蛋白质、DNA和磷脂三种生物大分子与石墨烯及其氧化物的相互作用等问题,进行计算机模拟及其相关的机理分析。首先,研究了多肽和蛋白质与均匀随机氧化的石墨烯的相互作用,并与纯的石墨烯的相互作用作对比,体系由小到大、分三个层次进行研究：(1)模拟了多肽Vpr13-33在石墨烯和氧化石墨烯表面的吸附过程和聚集过程,发现不管是石墨烯,还是氧化石墨烯,都会对Vpr13-33的结构造成破坏；但是,氧化石墨烯对Vpr13-33的破坏程度要弱一些。对于Vpr13-33在石墨烯表面的聚集,则发现Vpr13-33并非先在水环境中聚集,而是各自独立地到达石墨烯表面。(2)着重模拟了蛋白片段GA53在石墨烯和氧化石墨烯表面的吸附过程,结果发现GA53吸附到氧化石墨烯表面后,二级结构保持完好,而在石墨烯表面则遭到破坏。通过计算相互作用能,发现GA53与石墨烯之间的强范德华作用使得GA53的二级结构遭到破坏,两个α螺旋片段基本解旋；相比较而言,由于氧化石墨烯表面含氧基团的存在,原子空间位阻效应和静电作用阻止了GA53与氧化石墨烯表面表面的进一步靠近,因而削弱了它们之间的范德华作用,而静电作用又不足以破坏GA53的二级结构,因此,GA53吸附到氧化石墨烯表面表面后二级结构保持完好。(3)模拟了石墨烯与完整的蛋白质溶菌酶的相互作用,发现对于较大的球状蛋白,氧化石墨烯的吸附能力要明显强于纯的石墨烯,同时,它们俩均不会对溶菌酶的结构造成明显破坏,由此可以说明均匀随机氧化的石墨烯具有良好的生物相容性。另外,π-π堆积作用出现在上述各体系当中,对蛋白质结合在石墨烯表面起到重要作用。可见,氧化石墨烯是一种两性分子,氧化部分表现出亲水性,而未氧化区域又具有很强的疏水性。其次,研究了石墨烯和氧化石墨烯与DNA的相互作用。分两个层次,分别模拟了单链DNA和双链DNA在石墨烯和氧化石墨烯表面的吸附过程。文中构造了两种不同长度的DNA片段,一种是8个碱基对,另一种是12个碱基对,同时采用两种不同类型的氧化石墨烯,其中一种是羟基和环氧基在其两侧是均匀随机分布的,另一种是非均匀随机分布的,也就说是石墨烯的氧化具有高度相关性。结果表明：对于不同长度的单链DNA,在石墨烯和氧化石墨烯表面的吸附过程和构象基本上是一样的,即单链DNA平躺在石墨烯和氧化石墨烯表面,π-π堆积作用起主导作用；而双链DNA由于把碱基隐藏在双螺旋内,所以除了末端碱基对,其它的碱基不能与石墨烯形成π-π堆积作用,因此双链DNA不能够与氧化石墨烯平面处于平行状态,只能竖立在氧化石墨烯表面摆动。而且,双链DNA与石墨烯以及氧化石墨烯的接触面积、吸附能均明显小于单链DNA,可见,石墨烯以及氧化石墨烯都易于吸附单链DNA而不易吸附双链DNA。另外,不管是单链还是双链DNA,与氧化石墨烯之间的吸附作用包括疏水的π-π堆积作用和静电作用以及氢键,但是π-π堆积作用占主导地位且相对稳定,静电作用增加了吸附的稳定性。最后,模拟了石墨烯和氧化石墨烯在磷脂双层膜内外的动力学过程。其中,磷脂双层膜采用联合原子模型,并与已有的粗粒化模型的结果作了比较。通过计算发现,石墨烯能够自发地进入磷脂双层膜内,并稳定在其中,保持其平面基本上与磷脂尾链平行。而氧化石墨烯由于其两亲性,从分子模拟的角度不能自发地从水相进入膜内,而是处在膜水界面。但细胞仍然可以通过内吞作用使氧化石墨烯处于膜内。若在初始状态把氧化石墨烯置于膜内进行分子动力学模拟,结果发现氧化石墨烯会把上、下层的磷脂分子拉到自己表面,造成膜的空洞,同时有部分水分子流入膜内。而实验发现氧化石墨烯能破坏细胞膜,进而造成细胞死亡。因此,本部分的模拟结果为氧化石墨烯造成细胞膜的破裂在分子层面提供了一种可能的机理。