馮穎，趙孟杰，崔倩，解玉鞠，張建偉，董鑫

（沈陽化工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，遼寧沈陽 110142）

甲殼素主要來源于殼類海產(chǎn)品廢棄物，在自然界中的儲存量僅次于纖維素，是一種可再生資源。殼聚糖是甲殼素脫乙?；纬傻奈ㄒ惶烊粔A性多糖，作為一種環(huán)境友好型生物材料，因其來源廣、價格低、無毒、生物相容、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，在醫(yī)藥、食品、水處理、鋼鐵緩蝕、燃料電池等諸多領(lǐng)域具有廣闊的前景。但殼聚糖的機(jī)械性能以及在中性或堿性溶劑中的溶解性較差，大大限制了其應(yīng)用，并且單一的殼聚糖大分子各項(xiàng)性能較為有限，開發(fā)具有廣泛實(shí)際應(yīng)用范圍的殼聚糖及其衍生材料意義重大。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究開發(fā)新材料的方法常常需要消耗大量資源，實(shí)驗(yàn)步驟煩瑣、研發(fā)周期長，并且難以從分子或原子層面探究內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)、分析作用機(jī)理。為了改變這一現(xiàn)狀，基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的分子模擬技術(shù)逐漸成為了輔助新材料開發(fā)的有效手段。

分子模擬技術(shù)是一種基于牛頓力學(xué)、量子力學(xué)等物理化學(xué)基本原理的新型計(jì)算機(jī)模擬方法，利用模擬軟件來模擬分子立體構(gòu)象、優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)，形象表達(dá)分子間相互作用關(guān)系，判斷分子間結(jié)合的可能活性位點(diǎn)，為材料改性和新材料開發(fā)提供理論指導(dǎo)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，分子模擬技術(shù)不斷完善，逐漸成為了除實(shí)驗(yàn)研究和理論研究之外的又一有效研究手段。它可以很容易地揭示微觀相的內(nèi)在機(jī)制，縮短材料研發(fā)周期，降低其開發(fā)成本，同時還具有環(huán)保性、安全性等優(yōu)點(diǎn)，在材料設(shè)計(jì)及后續(xù)應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用。

本文對近年來分子模擬在殼聚糖材料開發(fā)和應(yīng)用的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和分析，介紹了分子模擬基本方法和分子模擬軟件，對近年來應(yīng)用越發(fā)廣泛的Materials Studio 軟件進(jìn)行了詳述，闡述了該軟件在殼聚糖研究中常用的幾個模塊和應(yīng)用，并介紹了分子模擬對殼聚糖的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分析，以及殼聚糖在生物醫(yī)用材料、燃料電池、緩蝕劑、水處理方面分子模擬技術(shù)的應(yīng)用情況，最后對分子模擬在殼聚糖研究方面進(jìn)行了展望，期待對該行業(yè)未來的發(fā)展起到推進(jìn)作用。

1 分子模擬技術(shù)

從20世紀(jì)90年代開始，隨著分子力場的完善、模擬算法的創(chuàng)新和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，分子模擬進(jìn)入到一個全新的時代，作為一種新興的模擬方法，已被廣泛應(yīng)用到材料學(xué)、生命科學(xué)、藥物研究等領(lǐng)域。2013年諾貝爾化學(xué)獎授予三位通過計(jì)算機(jī)分子模擬方法研究酶催化反應(yīng)機(jī)理和蛋白質(zhì)分子運(yùn)動的科學(xué)家，表彰他們在“發(fā)展多尺度模型研究復(fù)雜化學(xué)體系”的貢獻(xiàn)。

1.1 分子模擬方法

在目前的模擬方法中，比較常見的主要有四種，分別是蒙特卡洛法、分子動力學(xué)、分子力學(xué)和量子力學(xué)。這四種模擬方法的主要應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，在殼聚糖的研究上應(yīng)用較多的是分子動力學(xué)和量子力學(xué)。

表1 四種分子模擬方法簡介

分子動力學(xué)通過對牛頓力學(xué)方程求解得到體系中粒子的運(yùn)動軌跡來反應(yīng)體系的各種宏觀性質(zhì)，如能量、壓力、黏度以及粒子的空間分布等。Ren等利用分子動力學(xué)模擬，使用NPT（原子數(shù)、壓力、溫度恒定） 系綜，在300K 的溫度下運(yùn)行100ns，從分子水平系統(tǒng)地研究了殼聚糖和石墨烯量子點(diǎn)的相互作用，高堿性溶液中殼聚糖由于分子間的疏水作用而快速聚集，并有效封裝石墨烯量子點(diǎn)，而高酸性溶液中殼聚糖鏈相對堅(jiān)硬，并且由于靜電排斥作用而難以聚集，導(dǎo)致石墨烯量子點(diǎn)的包埋效率低。李嘉辰等模擬了殼聚糖與氮化硼納米管（BNNTs）復(fù)合系統(tǒng)封裝及運(yùn)輸抗癌藥物阿霉素（DOX） 的過程，從分子水平揭示了殼聚糖與BNNTs 復(fù)合材料封裝及運(yùn)輸DOX 的可行性，為藥物載體材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供指導(dǎo)和理論依據(jù)。

量子力學(xué)法通過計(jì)算分子結(jié)構(gòu)中的電荷密度、能級、前線軌道等參數(shù)來分析物質(zhì)的微觀性質(zhì)。Sousa 等在研究殼聚糖磁性納米粒子對防腐劑氯己定二葡萄糖酸鹽的定量測定時，通過量子力學(xué)模擬解釋了氯己定二葡萄糖酸鹽的氧化過程，磁性殼聚糖納米粒子的修飾引發(fā)了其幾何結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致了最高占據(jù)分子軌道的變化，促進(jìn)氧化過程。盧曦通過量子化學(xué)計(jì)算，對羧甲基殼聚糖吸附二價鎘離子的吸附體系進(jìn)行計(jì)算與分析，從電荷分布、結(jié)合能、吸附構(gòu)型等參數(shù)確定了羧甲基殼聚糖與鎘離子發(fā)生配位的主要位置如圖1所示，即氨基、羥基、環(huán)醚和羧基。

圖1 N-羧甲基殼聚糖對Cd2+的吸附構(gòu)型與O-羧甲基殼聚糖對Cd2+的吸附構(gòu)型

1.2 分子模擬軟件

目前分子模擬軟件數(shù)目眾多，各有優(yōu)勢和特色，針對不同問題選擇合適的模擬軟件至關(guān)重要。研究者常用的計(jì)算軟件有Hyperchem、Gaussian、Materials Studio、LAMMPS 等軟件。表2 為這些常用軟件的應(yīng)用領(lǐng)域、理論方法、適用范圍以及軟件特色的總結(jié)。而在這眾多的模擬軟件中，Materials Studio（MS）軟件在材料科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大的功能。

表2 常用模擬軟件簡介

Materials Studio 軟件涵蓋了量子力學(xué)、分子力學(xué)、分子動力學(xué)、蒙特卡洛、粗?；壤碚摲椒?，通過簡便的操作，在不需要編寫代碼的情況下，就能完成大部分常見的分子模擬計(jì)算問題，且圖形化界面友好、清晰，逐漸成為當(dāng)下研究殼聚糖結(jié)構(gòu)性質(zhì)的熱門工具，下面將介紹殼聚糖研究中常用的幾個模塊。

1.2.1 Visualizer模塊

該模塊是Materials Studio 的核心模塊，可以簡單地建立分子、晶體、高分子材料等模型，通過觀察分析模型，以表格、文本、圖表等形式來處理數(shù)據(jù)，為Materials Studio 的其他模塊提供基本環(huán)境和分析工具。圖2為用Visualizer模塊建立的聚合度為10的殼聚糖單鏈模型。

圖2 殼聚糖單鏈模型

該模塊能清楚地反映所建模型的基本信息，如原子種類、分子大小、化學(xué)鍵類型等，為后續(xù)的計(jì)算提供便利。Wang等通過Visualizer模塊計(jì)算了不溶性抗腫瘤藥物模型羥基喜樹堿（HCPT）、紫杉醇、阿霉素的分子大小分別為1.14nm×0.69nm×0.44nm、1.90nm×1.19nm×0.07nm、1.52nm×1.08nm×0.71nm，通過實(shí)驗(yàn)研究了改性前后殼聚糖基介孔碳材料對HCPT的吸收和釋放性能，從而設(shè)計(jì)更好的介孔炭載體用于藥物傳遞系統(tǒng)，提高難溶性藥物的溶出度和生物利用度。

1.2.2 Forcite模塊

Forcite 模塊是MS 中計(jì)算經(jīng)典分子力學(xué)的先進(jìn)工具，也是分子動力學(xué)模擬的常用模塊，可快速計(jì)算得到分子和周期性系統(tǒng)的能量和最優(yōu)幾何構(gòu)型。同時提供多種力場，如Compass、Universal 等，以及各種電荷計(jì)算方法的選擇。

為了探究增加殼聚糖上接枝聚精氨酸的鏈長能否影響基因轉(zhuǎn)染效率，Zhang 等用Forcite 模塊，在Compass力場下構(gòu)建了不同聚合度精氨酸（聚合度為1 和5）修飾的殼聚糖CS-Arg 和CS-5Arg 模型，共8種可能的構(gòu)象類型，并分別計(jì)算了這8種構(gòu)象的能量如圖3所示，得到了CS-Arg和CS-5Arg最穩(wěn)定的兩種構(gòu)象形式，由于三維結(jié)構(gòu)和空間位阻，CS-5Arg上的胍基被殼聚糖分子屏蔽。分子模擬結(jié)果也為實(shí)驗(yàn)中得到的CS-Arg 和CS-5Arg 基因轉(zhuǎn)染效率接近提供了很好的詮釋，由此推斷出增加精氨酸的接枝量對轉(zhuǎn)染效率沒有明顯提高。Yang等用Forcite 模塊對羧甲基殼聚糖、羧甲基纖維素、海藻酸鈉與殼聚糖的雙組分體系進(jìn)行優(yōu)化和退火，觀察分子運(yùn)動前后能量的變化，只有羧甲基殼聚糖和殼聚糖體系能量在運(yùn)動后保持穩(wěn)定，這也解釋了該體系的自修復(fù)行為，這是水凝膠具有自愈合能力的原因之一。

圖3 CS-Arg和CS-5Arg模擬構(gòu)象及能量[32]

1.2.3 Dmol3模塊

Dmol3模塊可以進(jìn)行以密度泛函理論（DFT）為基礎(chǔ)的先進(jìn)量子力學(xué)的計(jì)算，其適用范圍十分廣泛，對氣相、液相、固相等體系均可進(jìn)行模擬計(jì)算，可用于研究分子反應(yīng)、分子結(jié)構(gòu)等，還可預(yù)測分子的反應(yīng)位點(diǎn)、混合熱、溶解度、分布函數(shù)等性質(zhì)。

Zhang 等通過優(yōu)化殼聚糖和功能化石墨烯的幾何結(jié)構(gòu)、相互作用能、電子密度差和態(tài)密度來分析化學(xué)官能團(tuán)對殼聚糖與石墨烯相互作用的影響。計(jì)算結(jié)果表明，羧基基團(tuán)可有效改善殼聚糖與石墨烯之間的界面相互作用。Yu等利用Dmol3模塊研究了碳納米管和羥基化碳納米管體系吸附殼聚糖的吸附能、結(jié)構(gòu)、電荷分布，結(jié)果表明碳納米管末端的羥基是殼聚糖通過氫鍵吸附到碳納米管上的主要成核位點(diǎn)，同時也證明了殼聚糖可以將電子轉(zhuǎn)移到羥基化的碳納米管上，克服了碳納米管化學(xué)惰性的缺點(diǎn)。

1.2.4 DPD模塊

DPD 模塊是研究復(fù)雜流體的有效模擬方法，針對工業(yè)研究中常見的涂料、藥物材料、藥物緩釋劑等復(fù)雜流體，DPD 能通過其粗粒度動力學(xué)算法得到各種約束條件下的流體結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性能。

Zhao等通過耗散粒子動力學(xué)（DPD）模擬了殼聚糖和羧甲基纖維素的絡(luò)合過程，比較了不同酸堿度的絡(luò)合情況，計(jì)算了溶液中兩種物質(zhì)的相互作用力，揭示了聚電解質(zhì)水凝膠的形成機(jī)理，即酸性條件下殼聚糖-NH+基團(tuán)和纖維素-COO基團(tuán)的靜電作用。Zhang 等采用DPD 方法研究了聚己內(nèi)酯和殼聚糖共混體系的形貌和性能，模擬結(jié)果預(yù)測了不同質(zhì)量比時共混物的形貌和分散性，為設(shè)計(jì)合適的聚合物共混物提供了方向和微觀理論基礎(chǔ)。

1.2.5 Amorphous Cell模塊

Amorphous Cell 模塊能搭建各種無定形的典型系統(tǒng)模型，通過分析系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)、能量、動力學(xué)性能等特性來預(yù)測其主要性能，指導(dǎo)新材料的設(shè)計(jì)。

在3D 生物打印應(yīng)用中，自愈合水凝膠應(yīng)在打印過程中保持穩(wěn)定的流變性能，并通過二次打印后交聯(lián)進(jìn)一步穩(wěn)定。為探究苯酚功能化導(dǎo)致快速膠凝和獨(dú)特流變行為的原因，Liu等用Amorphous Cell模塊建立了苯酚官能化的殼聚糖和聚乙二醇交聯(lián)形成的水凝膠（CPDP）與常規(guī)殼聚糖和聚乙二醇交聯(lián)形成的水凝膠（GCDP）模型，比較了兩種凝膠相互作用能的下降趨勢以及分子間作用力的變化，結(jié)果表明CPDP水凝膠的相互作用能更高，苯酚的存在會加速分子間作用力，實(shí)現(xiàn)快速膠凝，對CPDP 凝膠的快速膠凝和獨(dú)特流變行為能給出合理的解釋。

Shirolkar 等通過Amorphous Cell 模塊來評估殼聚糖網(wǎng)格中存在多孔結(jié)構(gòu)的可能性，并結(jié)合其他模塊進(jìn)行量子力學(xué)計(jì)算，探討了殼聚糖和抗生素分子之間的物理化學(xué)相互作用，為理解二者之間的物理化學(xué)相互作用提供一種新方法，對有效實(shí)現(xiàn)藥物傳遞至關(guān)重要。

2 殼聚糖結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的分子模擬

2.1 殼聚糖結(jié)構(gòu)模擬

殼聚糖構(gòu)象的多樣性影響其物理化學(xué)性質(zhì)，如溶解度、孔隙率、顆粒大小、螯合金屬離子及有機(jī)化合物的能力等，不同構(gòu)象狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變由乙?；潭群头植紒碚{(diào)節(jié)。殼聚糖溶于酸性條件，使得大量殼聚糖的研究和應(yīng)用都在溶液基礎(chǔ)下進(jìn)行，因此溶液體系下殼聚糖的研究顯得格外重要，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段難以觀察探究殼聚糖在溶液中的行為細(xì)節(jié)。

分子模擬可以提供溶液中分子構(gòu)象和相互作用的詳細(xì)信息，這是目前無法通過其他手段獲得的。Franca 等對甲殼素和殼聚糖鏈的分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明，多糖鏈的柔性與乙?；潭瘸煞幢?，高度乙?；逆溁騾^(qū)域有穩(wěn)定雙螺旋構(gòu)象的趨勢，減小了分子的構(gòu)象可變性，同時證明了乙酰基團(tuán)嵌段分布的殼聚糖聚集穩(wěn)定性大于均勻乙?；臍ぞ厶?，殼聚糖納米粒子的溶解性也隨乙?；潭鹊脑黾佣档?。Tsereteli等也建立了在不同物理化學(xué)條件下（不同酸堿度和離子濃度的水溶液中）長多糖的精確模型，通過與不同脫乙酰度殼聚糖溶液中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明該模型能夠很好地再現(xiàn)可用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時對溶液中大分子殼聚糖多糖的微觀和介觀結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了表征，研究了聚合物長度、脫乙酰模式和脫乙酰度對聚合物性能的影響。這些數(shù)據(jù)為今后設(shè)計(jì)殼聚糖材料提供潛在的價值。

為了探究殼聚糖衍生物在引入新基團(tuán)時的構(gòu)象變化，Tayyem等研究了部分烷基化殼聚糖衍生物和部分季銨化的烷基化殼聚糖衍生物，討論了殼聚糖分子內(nèi)氫鍵以及分子結(jié)構(gòu)在其衍生化過程中的變化，烷基化程度的變化對氫鍵的數(shù)量影響較小，聚合物分子鏈呈剛性，隨著季銨化程度的增加，氫鍵數(shù)量明顯減少，季銨化能使烷基化殼聚糖衍生物的剛性降低，從而使鏈更加靈活。此外，計(jì)算出殼聚糖衍生物與水之間的非鍵相互作用的主要貢獻(xiàn)是靜電相互作用，隨著季銨化程度的增加，靜電作用顯著增加，在水溶液中的溶解度增加。

2.2 殼聚糖的共混相容性模擬

聚合物共混是一種開發(fā)具有特定性能新材料的簡單而有效的方法，這些性能是單個聚合物所不能達(dá)到的。殼聚糖雖應(yīng)用廣泛，但由于其力學(xué)性能較差，常與其他聚合物共混來提升殼聚糖性能，增加其實(shí)際應(yīng)用性。

殼聚糖共混物在各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和先進(jìn)的藥物遞送系統(tǒng)中具有很高的潛力，但殼聚糖的共混相容性很難通過實(shí)驗(yàn)手段預(yù)測，因此分子模擬是預(yù)測和解釋聚合物共混物相容性的重要工具。Suknuntha 等建立了三條聚乙烯吡咯烷酮鏈（20個單體單元）和三條殼聚糖鏈（10 個單體單元），利用COMPASS 力場對系統(tǒng)進(jìn)行模擬，在298K 的NVT（原子數(shù)、體積、溫度恒定）系統(tǒng)下運(yùn)行1.5ns，確定了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和殼聚糖共混時殼聚糖的羥基比氨基更有利于氫鍵形成；此外，計(jì)算了聚合物之間的相互作用力與聚合物的組成關(guān)系，聚合物之間的相互作用力與聚合物的組成有關(guān)，即共混物中PVP 含量越低，相互作用力越大，共混物中PVP 含量越高，相互作用力越小，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究一致。Rakkapao 等研究了殼聚糖和聚環(huán)氧乙烷（PEO）共混物的相容性，以及K和Ca摻雜對殼聚糖和PEO 相互作用的影響，計(jì)算結(jié)果表明，殼聚糖和PEO 之間的相容性主要是由于醚鍵與三個殼聚糖官能團(tuán)（包括—NH、C—OH和C—OH）之間的相互作用，隨著PEO含量的增加，共混物的相容性降低，兩種離子的加入增強(qiáng)了共混物的相互作用，且Ca的增強(qiáng)作用大于K。

Tian 等通過MS 中的Blend 模塊計(jì)算了Flory-Huggins 相互作用參數(shù)（），預(yù)測了三種殼聚糖衍生物（甘油單硬脂酸酯殼聚糖CS--MS、單月桂酸甘油酯殼聚糖CS--ML、單油酸甘油酯殼聚糖CS--MO）與羥基喜樹堿（HCPT）的相容性。與殼聚糖相比，三種聚合物與HCPT的相容性都得到了改善，CS--MO 的值在三種共聚物中最低，表明CS--MO 是與HCPT 最相容的聚合物。表3為殼聚糖與多種聚合物共混的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，研究表明，實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合是設(shè)計(jì)和開發(fā)具有特定性能共混物的有效途徑。

表3 分子模擬在殼聚糖共混中的應(yīng)用

3 分子模擬技術(shù)在殼聚糖應(yīng)用中的研究進(jìn)展

3.1 殼聚糖生物醫(yī)用材料的模擬

具有生物相容性、生物降解性、無毒性等優(yōu)異性質(zhì)的殼聚糖及其衍生物，目前在藥物傳遞、組織工程、殺菌抗菌、傷口敷料等眾多醫(yī)藥和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。而分子相互作用的實(shí)驗(yàn)研究和藥物傳遞系統(tǒng)的提供需要大量的成本、時間和艱苦的工作，且不可能在分子和原子水平上獲得這些過程的精確細(xì)節(jié)，所以越來越多的研究者通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來獲得這些過程的大量信息以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作。

3.1.1 藥物傳遞

分子模擬可以極大程度地幫助選擇更合適的藥物載體。Eslami 等選擇殼聚糖和聚氰基丙烯酸正丁酯（PBCA）作為治療阿爾茲海默癥的常見藥物他克林的載體，在298K 和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下通過NPT系綜對系統(tǒng)進(jìn)行了5ns的動力學(xué)模擬，計(jì)算不同聚合度的兩種聚合物和他克林間的分子作用力。模擬結(jié)果表明，當(dāng)聚合物鏈長度增加時，他克林與PBCA 之間的相互作用變得更強(qiáng)，而殼聚糖與他克林系統(tǒng)沒有觀察到有規(guī)律的趨勢。Khezri 等通過模擬的方法研究了殼聚糖和姜黃素之間的相互作用，在第一個分子動力學(xué)模擬時間間隔（10ns）之內(nèi)，殼聚糖與姜黃素穩(wěn)定結(jié)合，在20ns 后姜黃素開始釋放，這一過程與實(shí)驗(yàn)測試一致，證實(shí)了殼聚糖納米顆?？梢宰鳛檩d體攜帶姜黃素。表4列舉了分子模擬在殼聚糖藥物傳遞系統(tǒng)中的應(yīng)用，并給出了模擬結(jié)論。

表4 分子模擬在殼聚糖藥物傳遞系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1.2 組織工程

通過使用合成或天然衍生的工程生物材料來替代受損組織，組織工程為傳統(tǒng)移植提供了一個有希望的替代方案。目前殼聚糖類衍生物作為一種新興的生物修復(fù)材料，已用于骨骼、心肌、皮膚、神經(jīng)等組織工程研究中。

為解決大面積皮膚傷口愈合能力有限的問題，Ling 等將L-精氨酸（L-Arg）作為生物活性物質(zhì)引入殼聚糖中，通過一種簡單的合成路線制備生物功能水凝膠，對大面積創(chuàng)面愈合過程進(jìn)行全面調(diào)控，將4 個、12 個、24 個、36 個、48 個、60 個、120 個L-Arg 分子與112 個殼聚糖分子放入模擬盒子中，在NVT系綜下運(yùn)行4ns后，分子動力學(xué)模擬表明，L-Arg在殼聚糖上的不同取代度會顯著影響其分子排列和相互作用，通過在時間上調(diào)節(jié)L-Arg的釋放，可以很好地調(diào)節(jié)生理性傷口愈合的協(xié)調(diào)過程。該材料可作為大型皮膚傷口修復(fù)的有效傷口敷料。

Kumar 等通過將殼聚糖（CTS）與各種功能化甲氧基聚乙二醇（mPEG）衍生物混合，并在低溫下交聯(lián)獲得CTS/mPEG冷凍海綿，用分子模擬證實(shí)了該材料形成的兩個主要方面：一是殼聚糖鏈與mPEG 衍生物之間的氫鍵作用，二是CTS/mPEG 冷凍海綿形成了能量穩(wěn)定的分子復(fù)合物，并且組成分子組分之間潛在的化學(xué)相互作用可導(dǎo)致構(gòu)象變化，從而導(dǎo)致共混物中的物理機(jī)械調(diào)節(jié)。該冷凍海綿可以在神經(jīng)組織工程中提供特殊的應(yīng)用。

3.1.3 殺菌抗菌

殼聚糖中的活性官能團(tuán)能與細(xì)菌細(xì)胞膜發(fā)生相互作用，從而達(dá)到殺菌和抗菌的目的，對革蘭氏陽性細(xì)菌、革蘭氏陰性細(xì)菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、米氏棒狀桿菌等大量細(xì)菌展現(xiàn)出良好的抗菌活性。

分子動力學(xué)模擬已成為表征細(xì)胞膜和殼聚糖納米顆粒之間相互作用的方法之一，因?yàn)檫@種方法提供了在高度受控條件下直接在原子水平研究物質(zhì)行為的可能性。Fuster 等使用對稱帶電脂質(zhì)雙層和兩種不同的殼聚糖模型，以不同程度的殼聚糖氨基質(zhì)子化作為pH的函數(shù)，在350K的NPT系綜下進(jìn)行模擬，達(dá)到平衡時殼聚糖與細(xì)菌細(xì)胞膜表面發(fā)生強(qiáng)靜電相互作用滲透到脂質(zhì)雙層中或分散在脂質(zhì)雙層上，模擬結(jié)果與殼聚糖金納米顆粒的抗菌活性一致，其中殼聚糖的電荷密度是其抗菌活性的關(guān)鍵參數(shù)。Malekshah 等通過模擬對比了殼聚糖、殼聚糖席夫堿及殼聚糖席夫堿金屬配合物與兩種金黃色葡萄球菌?；d體蛋白還原酶的結(jié)合能，模擬結(jié)果表明，殼聚糖化合物可作為抑制劑用于治療金黃色葡萄球菌感染，其中殼聚糖席夫堿對兩種金黃色葡萄球菌?；d體蛋白還原酶的親和力更高。

3.2 殼聚糖電解質(zhì)膜燃料電池的模擬

石油和化石燃料燃燒造成了一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題，如污染和全球變暖有關(guān)問題。為減少或消除對不可再生能源的依賴，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池因其在相對低溫范圍內(nèi)的高效性和潛在用途而引起了廣泛的研究興趣。殼聚糖因其優(yōu)異的成膜性和燃料阻隔性而被認(rèn)為是聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的研究熱點(diǎn)。

分子模擬技術(shù)旨在為聚合物電解質(zhì)膜的設(shè)計(jì)和合成提供經(jīng)濟(jì)可靠的工具。Chávez等通過分子模擬方法研究了交聯(lián)殼聚糖膜的離子導(dǎo)電機(jī)理，觀察到膜主干上的氨基領(lǐng)導(dǎo)著電荷的流動遷移，對于用戊二醛交聯(lián)的情況，殼聚糖膜結(jié)晶度的降低決定了系統(tǒng)電導(dǎo)率的增加。Srinophakun等從分子水平上闡述了殼聚糖膜的離子導(dǎo)電機(jī)理，預(yù)測了擴(kuò)散系數(shù)和離子電導(dǎo)率，結(jié)果表明含水量為40%的系統(tǒng)最適合作導(dǎo)電材料，且離子電導(dǎo)率為7.14×10S/cm。Zhang等模擬研究了殼聚糖質(zhì)子化度（pH）、石墨烯含量、水含量和溫度對殼聚糖中水合氫離子擴(kuò)散的影響，與實(shí)驗(yàn)相比得出了類似的結(jié)論，即40%的含水量是最適合水合氫離子輸送的條件，溫度對水合氫離子擴(kuò)散行為的影響大于水含量，殼聚糖質(zhì)子化或石墨烯的加入來改善水合氫離子在殼聚糖中的擴(kuò)散行為，指導(dǎo)了殼聚糖石墨烯復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)。

3.3 殼聚糖作為緩蝕劑的模擬

各種工業(yè)過程中常常會涉及用鹽酸進(jìn)行清洗，如油井的酸洗、除垢以及酸化過程，不可避免地會對設(shè)備金屬合金造成腐蝕和損失，并造成公共資源損失和環(huán)境破壞，因此采取一些防護(hù)措施很有必要。最常用的方法之一就是使用緩蝕劑，但大多數(shù)的緩蝕劑是有毒的，在此背景下，殼聚糖及其衍生物作為生態(tài)友好型緩蝕劑受到了廣泛關(guān)注?；诜肿觿恿W(xué)和量子化學(xué)計(jì)算的理論研究也被用來和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相佐證，為開發(fā)殼聚糖基緩蝕劑材料提供理論指導(dǎo)。

緩蝕劑可以很容易地吸附在金屬表面，形成阻止腐蝕的屏障，起到鋼鐵緩蝕的作用。圖4表達(dá)了殼聚糖及其衍生物的緩蝕機(jī)理，改性殼聚糖在水中溶解度更高，與金屬表面的相互作用力更強(qiáng)，從而形成更加致密的防腐蝕屏障。通過分子模擬技術(shù)能計(jì)算出緩蝕劑與金屬表面的結(jié)合能，從而判斷緩蝕劑的緩蝕效果。Chauhan 等通過密度泛函理論和蒙特卡洛分析表明，殼聚糖與肉桂醛合成的席夫堿和殼聚糖相比表現(xiàn)出更好的吸附行為，與中性形式的抑制劑相比，質(zhì)子化形式的抑制劑顯示出更好的吸附行為。Jmiai等分別計(jì)算出殼聚糖和海藻酸鹽分子在銅表面的結(jié)合能均為負(fù)值，解釋了殼聚糖和海藻酸鹽分子在銅表面吸附的自發(fā)性，對比研究表明，殼聚糖材料與銅表面的結(jié)合能比海藻酸鹽的結(jié)合能大，證實(shí)了對兩種生物聚合物的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 殼聚糖及其衍生物的緩蝕機(jī)理

此外，分子模擬技術(shù)也可以研究緩蝕劑分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)反應(yīng)性，理解緩蝕效率與分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。計(jì)算分子的軌道（HOMO和LUMO）能量和能隙（Δ）。HOMO 的能量通常與分子失去電子的能力有關(guān)，較低的負(fù)HOMO 能和較低的能隙反映了緩蝕劑與金屬表面之間的強(qiáng)烈相互作用，從而判斷緩蝕效果。

3.4 殼聚糖用于水處理中的模擬

近年來，殼聚糖作為新型的天然高分子絮凝劑和吸附劑，因其無毒性、生物可降解性等優(yōu)異性能，受到越來越多研究者的關(guān)注，被廣泛應(yīng)用到水處理領(lǐng)域。使用分子模擬技術(shù)分析溶質(zhì)和殼聚糖吸附劑的相互作用，可以從分子或原子水平上理解吸附過程和吸附機(jī)理，預(yù)測反應(yīng)位點(diǎn)以及反應(yīng)活性。表5為分子模擬在殼聚糖水處理領(lǐng)域的應(yīng)用。

表5 分子模擬在殼聚糖水處理中的應(yīng)用

Khnifira 等計(jì)算比較了不同pH下溶液中的鉻黑T 染料分子（EB）與殼聚糖相互作用能大小，3.9＜pH＜6.4 時，染料分子（HEB）呈現(xiàn)出的一價陰離子形式是吸附在帶正電荷形式殼聚糖上的最有利形式。量子化學(xué)參數(shù)提供了所有EB 形式的相對反應(yīng)性行為，此外，分子間的相互作用和福井函數(shù)有助于預(yù)測聚合物分子中吸附的位點(diǎn)。

為了探究工業(yè)尾礦處理中多種類型的聚合物一起使用來增加絮凝作用的機(jī)理，Sun 等進(jìn)行了一系列的分子動力學(xué)模擬，利用CLAYFF 力場在300K 的NPT 系綜下進(jìn)行模擬，在0～80ns 范圍內(nèi)獲取體系的吸附構(gòu)型，得到了殼聚糖（CT）、聚丙烯酰胺（PAM）、陰離子絮凝劑（MF） 與蒙脫土（Mt）的各種組合體系的模擬結(jié)果如圖5～圖7所示，均清除水分子以便觀察清晰，研究了多種高分子絮凝劑的協(xié)同作用以及添加順序的影響，觀察到殼聚糖不僅作為聚丙烯酰胺、陰離子絮凝物與蒙脫土之間的橋梁，而且促進(jìn)了它們在蒙脫土上的直接吸附，這些發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)中觀察到的絮凝協(xié)同作用有很好的相關(guān)性，同時也對絮凝劑的選擇和絮凝過程的設(shè)計(jì)有直接影響。

圖5 Mt-CT、Mt-PAM、Mt-MF系統(tǒng)的最終構(gòu)型[83]

圖6 不同模擬時間Mt-（CT-PAM）、Mt-（CT-MF）系統(tǒng)的吸附構(gòu)型[83]

圖7 不同模擬時間（Mt-CT）-PAM、（Mt-PAM）-CT系統(tǒng)的吸附構(gòu)型[83]

在重金屬離子吸附方面，Hassan等基于密度泛函理論分析了殼聚糖單體（CS）及其檸檬烯和水楊醛兩種衍生物（CC 和SC）對Hg的吸附，研究了所有吸附位點(diǎn)，并確定了吸附劑-金屬離子絡(luò)合物的穩(wěn)定構(gòu)象，計(jì)算結(jié)果表明，金屬離子與氮原子的結(jié)合力比氧原子的結(jié)合力強(qiáng)，配合物的分子軌道（HOMO 和LUMO）能量能隙值（Δ）由大到小為SC-Hg、CS-Hg、CC-Hg，配合物穩(wěn)定性隨能隙的增加而增加，該研究表明水楊醛殼聚糖衍生物是一種很好的汞離子吸附劑。王炳捷等也計(jì)算了殼聚糖單體與三種金屬離子（Cu、Co、Mn）的吸附能，且殼聚糖單體對銅離子的吸附能（Δ≥624kJ/mol）最大，并且通過分析三種不同金屬螯合物結(jié)構(gòu)，得出氨基中氮原子與金屬離子的結(jié)合作用遠(yuǎn)強(qiáng)于羥基中氧原子與金屬離子的結(jié)合作用，與Hassan等得出的結(jié)論一致。

4 結(jié)語與展望

殼聚糖作為綠色的可再生資源，分子模擬技術(shù)研究殼聚糖及其衍生物避免了煩瑣的實(shí)驗(yàn)步驟，減少了資源的浪費(fèi)，符合我國“碳達(dá)峰、碳中和”背景下的綠色發(fā)展方針。近年來，分子模擬技術(shù)已經(jīng)成為研究殼聚糖及其衍生物的有效手段，無論是對于微觀機(jī)理的探索還是分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都具有重要意義。本文對殼聚糖研究領(lǐng)域中的分子模擬方法、模擬軟件以及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了綜述，總結(jié)了近十年來國內(nèi)外學(xué)者利用分子模擬技術(shù)研究殼聚糖的進(jìn)展情況。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高、模擬方法和力場精度的不斷完善，計(jì)算體系在不斷復(fù)雜化，研究方向從宏觀邁入介觀和微觀尺度，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬。

盡管分子模擬已經(jīng)在殼聚糖研究中取得了不小的成就，但是實(shí)際模擬時難免會對某些模擬過程進(jìn)行簡化，降低模擬結(jié)果的精確性和可靠性。針對存在的問題，未來可從以下方面進(jìn)行深入研究：①考慮反應(yīng)體系的復(fù)雜性，減少模擬過程的簡化，建立更可靠的分子模型；②對同一過程進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，計(jì)算時可結(jié)合不同計(jì)算模塊進(jìn)行多尺度模擬；③模擬結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互印證、互為補(bǔ)充；④嘗試將分子模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，快速準(zhǔn)確地解決材料篩選、數(shù)據(jù)處理以及性質(zhì)預(yù)測等問題。