生物金属—有机骨架材料中的复杂主客体作用研究

生物金属-有机骨架材料（bio-MOFs）及其载药性能研究，系近两年才开始的MOFs研究前沿。本项目以分子模拟为主要手段，结合量化计算和实验测定，开展bio-MOFs的主客体作用及载药性能研究。主要研究内容：（1）开发可描述bio-MOFs与药物分子间作用的力场，为分子模拟研究提供基础；（2）进行bio-MOFs的设计，并深入探索bio-MOFs中的主客体作用与其结构和动力学特性间的关系规律，建立bio-MOFs的结构与其载药量间的定量、定性关系；（3）研究bio-MOFs中的客体形状响应和材料动力学特性与结构间的关系，揭示bio-MOFs的动力学特性对载药量的影响规律。本项目开发的力场，将为今后的分子模拟研究提供基础；所获得的bio-MOFs结构与其载药性能间的关系规律，可为相关的实验研究提供理论依据。本项目将提高对MOFs的认识，特别是可促进bio-MOFs这一前沿领域的研究进展。

生物金属-有机骨架材料（bio-MOFs）系金属-有机骨架材料 (Metal-Organic Frameworks, MOFs) 的一个分支。其不仅具有MOFs材料密度低、比表面积大、可设计和较易合成等优点，还具有生物相容性，在药物控释应用方面有着巨大的潜力。利用分子模拟技术研究药物分子在bio-MOFs中的吸附和扩散现象，可促进 bio-MOFs在药物控释领域的应用，具有重要的科学和实际意义。. 本项目选用了三种bio-MOFs（bio-MOF-1、bio-MOF-11及bio-MOF-100）。首先围绕bio-MOFs与药物分子相互作用力场开发问题，采用Gaussian 03软件量子化学计算方法研究讨论了基组和算法对材料骨架原子电荷计算的影响；其次采用蒙特卡罗模拟方法，系统研究了bio-MOFs的结构与载药量的关系；此外利用分子动力学模拟方法研究了布洛芬分子在bio-MOF材料中的动力学性质。讨论了材料结构、力场和电荷对吸附和动力学行为造成的影响，并分析了布洛芬分子在材料中的最优空间构型。为了验证电荷计算方法的正确性以及分析布洛芬分子在材料中的最佳吸附位，亦选择了UMCM-1材料进行研究。所取得的主要发现如下：. (1) 基组和计算方法对bio-MOF材料原子电荷的计算影响较为复杂，主要跟原子本身的电负性及原子周围的环境有关。原子本身电负性较大或原子周围原子电负性较大，受基组和计算方法影响波动较大；反之，较小。. (2) Bio-MOF材料结构对客体分子布洛芬的吸附和扩散有很大影响。其中，孔径起决定性作用，孔径控制着客体分子布洛芬的进入及扩散；孔隙率与布洛芬的吸附量及自扩散系数成正比。材料骨架的柔性或刚性对动力学模拟有很大影响。另外，bio-MOF-100材料是迄今为止发现吸附药物分子布洛芬最大的一种材料。. (3)Bio-MOFs吸附布洛芬分子过程中，范德华力起主导作用，静电作用力影响较小。. (4) 布洛芬分子优先吸附在材料的金属角落处。其中，在Zn4O角落处的结合能为-80.98 kJ/mol；在BTB处结合能大小为-71.02 kJ/mol。另外，发现布洛芬分子在不同材料里面的最优构型是不同的。