分子模拟技术在壳聚糖功能材料开发和应用中的研究进展

冯颖，赵孟杰，崔倩，解玉鞠，张建伟，董鑫

（沈阳化工大学机械与动力工程学院，辽宁沈阳 110142）

甲壳素主要来源于壳类海产品废弃物，在自然界中的储存量仅次于纤维素，是一种可再生资源。壳聚糖是甲壳素脱乙酰化形成的唯一天然碱性多糖，作为一种环境友好型生物材料，因其来源广、价格低、无毒、生物相容、可生物降解等优点而受到广泛关注，在医药、食品、水处理、钢铁缓蚀、燃料电池等诸多领域具有广阔的前景。但壳聚糖的机械性能以及在中性或碱性溶剂中的溶解性较差，大大限制了其应用，并且单一的壳聚糖大分子各项性能较为有限，开发具有广泛实际应用范围的壳聚糖及其衍生材料意义重大。传统的实验研究开发新材料的方法常常需要消耗大量资源，实验步骤烦琐、研发周期长，并且难以从分子或原子层面探究内部的微观结构、分析作用机理。为了改变这一现状，基于计算机图形学和统计力学的分子模拟技术逐渐成为了辅助新材料开发的有效手段。

分子模拟技术是一种基于牛顿力学、量子力学等物理化学基本原理的新型计算机模拟方法，利用模拟软件来模拟分子立体构象、优化分子结构，形象表达分子间相互作用关系，判断分子间结合的可能活性位点，为材料改性和新材料开发提供理论指导。近年来，随着计算机性能的不断提高，分子模拟技术不断完善，逐渐成为了除实验研究和理论研究之外的又一有效研究手段。它可以很容易地揭示微观相的内在机制，缩短材料研发周期，降低其开发成本，同时还具有环保性、安全性等优点，在材料设计及后续应用中发挥着越来越重要的作用。

本文对近年来分子模拟在壳聚糖材料开发和应用的研究进展进行了总结和分析，介绍了分子模拟基本方法和分子模拟软件，对近年来应用越发广泛的Materials Studio 软件进行了详述，阐述了该软件在壳聚糖研究中常用的几个模块和应用，并介绍了分子模拟对壳聚糖的结构和性质分析，以及壳聚糖在生物医用材料、燃料电池、缓蚀剂、水处理方面分子模拟技术的应用情况，最后对分子模拟在壳聚糖研究方面进行了展望，期待对该行业未来的发展起到推进作用。

1 分子模拟技术

从20世纪90年代开始，随着分子力场的完善、模拟算法的创新和计算机科学的发展，分子模拟进入到一个全新的时代，作为一种新兴的模拟方法，已被广泛应用到材料学、生命科学、药物研究等领域。2013年诺贝尔化学奖授予三位通过计算机分子模拟方法研究酶催化反应机理和蛋白质分子运动的科学家，表彰他们在“发展多尺度模型研究复杂化学体系”的贡献。

1.1 分子模拟方法

在目前的模拟方法中，比较常见的主要有四种，分别是蒙特卡洛法、分子动力学、分子力学和量子力学。这四种模拟方法的主要应用及优缺点如表1所示，在壳聚糖的研究上应用较多的是分子动力学和量子力学。

表1 四种分子模拟方法简介

分子动力学通过对牛顿力学方程求解得到体系中粒子的运动轨迹来反应体系的各种宏观性质，如能量、压力、黏度以及粒子的空间分布等。Ren等利用分子动力学模拟，使用NPT（原子数、压力、温度恒定） 系综，在300K 的温度下运行100ns，从分子水平系统地研究了壳聚糖和石墨烯量子点的相互作用，高碱性溶液中壳聚糖由于分子间的疏水作用而快速聚集，并有效封装石墨烯量子点，而高酸性溶液中壳聚糖链相对坚硬，并且由于静电排斥作用而难以聚集，导致石墨烯量子点的包埋效率低。李嘉辰等模拟了壳聚糖与氮化硼纳米管（BNNTs）复合系统封装及运输抗癌药物阿霉素（DOX） 的过程，从分子水平揭示了壳聚糖与BNNTs 复合材料封装及运输DOX 的可行性，为药物载体材料的设计与应用提供指导和理论依据。

量子力学法通过计算分子结构中的电荷密度、能级、前线轨道等参数来分析物质的微观性质。Sousa 等在研究壳聚糖磁性纳米粒子对防腐剂氯己定二葡萄糖酸盐的定量测定时，通过量子力学模拟解释了氯己定二葡萄糖酸盐的氧化过程，磁性壳聚糖纳米粒子的修饰引发了其几何结构的改变，导致了最高占据分子轨道的变化，促进氧化过程。卢曦通过量子化学计算，对羧甲基壳聚糖吸附二价镉离子的吸附体系进行计算与分析，从电荷分布、结合能、吸附构型等参数确定了羧甲基壳聚糖与镉离子发生配位的主要位置如图1所示，即氨基、羟基、环醚和羧基。

图1 N-羧甲基壳聚糖对Cd2+的吸附构型与O-羧甲基壳聚糖对Cd2+的吸附构型

1.2 分子模拟软件

目前分子模拟软件数目众多，各有优势和特色，针对不同问题选择合适的模拟软件至关重要。研究者常用的计算软件有Hyperchem、Gaussian、Materials Studio、LAMMPS 等软件。表2 为这些常用软件的应用领域、理论方法、适用范围以及软件特色的总结。而在这众多的模拟软件中，Materials Studio（MS）软件在材料科学等相关领域展现出强大的功能。

表2 常用模拟软件简介

Materials Studio 软件涵盖了量子力学、分子力学、分子动力学、蒙特卡洛、粗粒化等理论方法，通过简便的操作，在不需要编写代码的情况下，就能完成大部分常见的分子模拟计算问题，且图形化界面友好、清晰，逐渐成为当下研究壳聚糖结构性质的热门工具，下面将介绍壳聚糖研究中常用的几个模块。

1.2.1 Visualizer模块

该模块是Materials Studio 的核心模块，可以简单地建立分子、晶体、高分子材料等模型，通过观察分析模型，以表格、文本、图表等形式来处理数据，为Materials Studio 的其他模块提供基本环境和分析工具。图2为用Visualizer模块建立的聚合度为10的壳聚糖单链模型。

图2 壳聚糖单链模型

该模块能清楚地反映所建模型的基本信息，如原子种类、分子大小、化学键类型等，为后续的计算提供便利。Wang等通过Visualizer模块计算了不溶性抗肿瘤药物模型羟基喜树碱（HCPT）、紫杉醇、阿霉素的分子大小分别为1.14nm×0.69nm×0.44nm、1.90nm×1.19nm×0.07nm、1.52nm×1.08nm×0.71nm，通过实验研究了改性前后壳聚糖基介孔碳材料对HCPT的吸收和释放性能，从而设计更好的介孔炭载体用于药物传递系统，提高难溶性药物的溶出度和生物利用度。

1.2.2 Forcite模块

Forcite 模块是MS 中计算经典分子力学的先进工具，也是分子动力学模拟的常用模块，可快速计算得到分子和周期性系统的能量和最优几何构型。同时提供多种力场，如Compass、Universal 等，以及各种电荷计算方法的选择。

为了探究增加壳聚糖上接枝聚精氨酸的链长能否影响基因转染效率，Zhang 等用Forcite 模块，在Compass力场下构建了不同聚合度精氨酸（聚合度为1 和5）修饰的壳聚糖CS-Arg 和CS-5Arg 模型，共8种可能的构象类型，并分别计算了这8种构象的能量如图3所示，得到了CS-Arg和CS-5Arg最稳定的两种构象形式，由于三维结构和空间位阻，CS-5Arg上的胍基被壳聚糖分子屏蔽。分子模拟结果也为实验中得到的CS-Arg 和CS-5Arg 基因转染效率接近提供了很好的诠释，由此推断出增加精氨酸的接枝量对转染效率没有明显提高。Yang等用Forcite 模块对羧甲基壳聚糖、羧甲基纤维素、海藻酸钠与壳聚糖的双组分体系进行优化和退火，观察分子运动前后能量的变化，只有羧甲基壳聚糖和壳聚糖体系能量在运动后保持稳定，这也解释了该体系的自修复行为，这是水凝胶具有自愈合能力的原因之一。

图3 CS-Arg和CS-5Arg模拟构象及能量[32]

1.2.3 Dmol3模块

Dmol3模块可以进行以密度泛函理论（DFT）为基础的先进量子力学的计算，其适用范围十分广泛，对气相、液相、固相等体系均可进行模拟计算，可用于研究分子反应、分子结构等，还可预测分子的反应位点、混合热、溶解度、分布函数等性质。

Zhang 等通过优化壳聚糖和功能化石墨烯的几何结构、相互作用能、电子密度差和态密度来分析化学官能团对壳聚糖与石墨烯相互作用的影响。计算结果表明，羧基基团可有效改善壳聚糖与石墨烯之间的界面相互作用。Yu等利用Dmol3模块研究了碳纳米管和羟基化碳纳米管体系吸附壳聚糖的吸附能、结构、电荷分布，结果表明碳纳米管末端的羟基是壳聚糖通过氢键吸附到碳纳米管上的主要成核位点，同时也证明了壳聚糖可以将电子转移到羟基化的碳纳米管上，克服了碳纳米管化学惰性的缺点。

1.2.4 DPD模块

DPD 模块是研究复杂流体的有效模拟方法，针对工业研究中常见的涂料、药物材料、药物缓释剂等复杂流体，DPD 能通过其粗粒度动力学算法得到各种约束条件下的流体结构和动力学性能。

Zhao等通过耗散粒子动力学（DPD）模拟了壳聚糖和羧甲基纤维素的络合过程，比较了不同酸碱度的络合情况，计算了溶液中两种物质的相互作用力，揭示了聚电解质水凝胶的形成机理，即酸性条件下壳聚糖-NH+基团和纤维素-COO基团的静电作用。Zhang 等采用DPD 方法研究了聚己内酯和壳聚糖共混体系的形貌和性能，模拟结果预测了不同质量比时共混物的形貌和分散性，为设计合适的聚合物共混物提供了方向和微观理论基础。

1.2.5 Amorphous Cell模块

Amorphous Cell 模块能搭建各种无定形的典型系统模型，通过分析系统模型的结构、能量、动力学性能等特性来预测其主要性能，指导新材料的设计。

在3D 生物打印应用中，自愈合水凝胶应在打印过程中保持稳定的流变性能，并通过二次打印后交联进一步稳定。为探究苯酚功能化导致快速胶凝和独特流变行为的原因，Liu等用Amorphous Cell模块建立了苯酚官能化的壳聚糖和聚乙二醇交联形成的水凝胶（CPDP）与常规壳聚糖和聚乙二醇交联形成的水凝胶（GCDP）模型，比较了两种凝胶相互作用能的下降趋势以及分子间作用力的变化，结果表明CPDP水凝胶的相互作用能更高，苯酚的存在会加速分子间作用力，实现快速胶凝，对CPDP 凝胶的快速胶凝和独特流变行为能给出合理的解释。

Shirolkar 等通过Amorphous Cell 模块来评估壳聚糖网格中存在多孔结构的可能性，并结合其他模块进行量子力学计算，探讨了壳聚糖和抗生素分子之间的物理化学相互作用，为理解二者之间的物理化学相互作用提供一种新方法，对有效实现药物传递至关重要。

2 壳聚糖结构与性质的分子模拟

2.1 壳聚糖结构模拟

壳聚糖构象的多样性影响其物理化学性质，如溶解度、孔隙率、颗粒大小、螯合金属离子及有机化合物的能力等，不同构象状态间的转变由乙酰化程度和分布来调节。壳聚糖溶于酸性条件，使得大量壳聚糖的研究和应用都在溶液基础下进行，因此溶液体系下壳聚糖的研究显得格外重要，但传统实验手段难以观察探究壳聚糖在溶液中的行为细节。

分子模拟可以提供溶液中分子构象和相互作用的详细信息，这是目前无法通过其他手段获得的。Franca 等对甲壳素和壳聚糖链的分子动力学模拟结果表明，多糖链的柔性与乙酰化程度成反比，高度乙酰化的链或区域有稳定双螺旋构象的趋势，减小了分子的构象可变性，同时证明了乙酰基团嵌段分布的壳聚糖聚集稳定性大于均匀乙酰化的壳聚糖，壳聚糖纳米粒子的溶解性也随乙酰化程度的增加而降低。Tsereteli等也建立了在不同物理化学条件下（不同酸碱度和离子浓度的水溶液中）长多糖的精确模型，通过与不同脱乙酰度壳聚糖溶液中的实验数据对比，结果表明该模型能够很好地再现可用的实验数据。同时对溶液中大分子壳聚糖多糖的微观和介观结构特性进行了表征，研究了聚合物长度、脱乙酰模式和脱乙酰度对聚合物性能的影响。这些数据为今后设计壳聚糖材料提供潜在的价值。

为了探究壳聚糖衍生物在引入新基团时的构象变化，Tayyem等研究了部分烷基化壳聚糖衍生物和部分季铵化的烷基化壳聚糖衍生物，讨论了壳聚糖分子内氢键以及分子结构在其衍生化过程中的变化，烷基化程度的变化对氢键的数量影响较小，聚合物分子链呈刚性，随着季铵化程度的增加，氢键数量明显减少，季铵化能使烷基化壳聚糖衍生物的刚性降低，从而使链更加灵活。此外，计算出壳聚糖衍生物与水之间的非键相互作用的主要贡献是静电相互作用，随着季铵化程度的增加，静电作用显著增加，在水溶液中的溶解度增加。

2.2 壳聚糖的共混相容性模拟

聚合物共混是一种开发具有特定性能新材料的简单而有效的方法，这些性能是单个聚合物所不能达到的。壳聚糖虽应用广泛，但由于其力学性能较差，常与其他聚合物共混来提升壳聚糖性能，增加其实际应用性。

壳聚糖共混物在各种生物医学应用和先进的药物递送系统中具有很高的潜力，但壳聚糖的共混相容性很难通过实验手段预测，因此分子模拟是预测和解释聚合物共混物相容性的重要工具。Suknuntha 等建立了三条聚乙烯吡咯烷酮链（20个单体单元）和三条壳聚糖链（10 个单体单元），利用COMPASS 力场对系统进行模拟，在298K 的NVT（原子数、体积、温度恒定）系统下运行1.5ns，确定了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和壳聚糖共混时壳聚糖的羟基比氨基更有利于氢键形成；此外，计算了聚合物之间的相互作用力与聚合物的组成关系，聚合物之间的相互作用力与聚合物的组成有关，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，计算结果与实验研究一致。Rakkapao 等研究了壳聚糖和聚环氧乙烷（PEO）共混物的相容性，以及K和Ca掺杂对壳聚糖和PEO 相互作用的影响，计算结果表明，壳聚糖和PEO 之间的相容性主要是由于醚键与三个壳聚糖官能团（包括—NH、C—OH和C—OH）之间的相互作用，随着PEO含量的增加，共混物的相容性降低，两种离子的加入增强了共混物的相互作用，且Ca的增强作用大于K。

Tian 等通过MS 中的Blend 模块计算了Flory-Huggins 相互作用参数（），预测了三种壳聚糖衍生物（甘油单硬脂酸酯壳聚糖CS--MS、单月桂酸甘油酯壳聚糖CS--ML、单油酸甘油酯壳聚糖CS--MO）与羟基喜树碱（HCPT）的相容性。与壳聚糖相比，三种聚合物与HCPT的相容性都得到了改善，CS--MO 的值在三种共聚物中最低，表明CS--MO 是与HCPT 最相容的聚合物。表3为壳聚糖与多种聚合物共混的模拟结果与实验结果对比，研究表明，实验与计算机模拟相结合是设计和开发具有特定性能共混物的有效途径。

表3 分子模拟在壳聚糖共混中的应用

3 分子模拟技术在壳聚糖应用中的研究进展

3.1 壳聚糖生物医用材料的模拟

具有生物相容性、生物降解性、无毒性等优异性质的壳聚糖及其衍生物，目前在药物传递、组织工程、杀菌抗菌、伤口敷料等众多医药和医学领域中得到广泛应用。而分子相互作用的实验研究和药物传递系统的提供需要大量的成本、时间和艰苦的工作，且不可能在分子和原子水平上获得这些过程的精确细节，所以越来越多的研究者通过计算机模拟技术来获得这些过程的大量信息以优化实验操作。

3.1.1 药物传递

分子模拟可以极大程度地帮助选择更合适的药物载体。Eslami 等选择壳聚糖和聚氰基丙烯酸正丁酯（PBCA）作为治疗阿尔兹海默症的常见药物他克林的载体，在298K 和标准大气压下通过NPT系综对系统进行了5ns的动力学模拟，计算不同聚合度的两种聚合物和他克林间的分子作用力。模拟结果表明，当聚合物链长度增加时，他克林与PBCA 之间的相互作用变得更强，而壳聚糖与他克林系统没有观察到有规律的趋势。Khezri 等通过模拟的方法研究了壳聚糖和姜黄素之间的相互作用，在第一个分子动力学模拟时间间隔（10ns）之内，壳聚糖与姜黄素稳定结合，在20ns 后姜黄素开始释放，这一过程与实验测试一致，证实了壳聚糖纳米颗粒可以作为载体携带姜黄素。表4列举了分子模拟在壳聚糖药物传递系统中的应用，并给出了模拟结论。

表4 分子模拟在壳聚糖药物传递系统中的应用

3.1.2 组织工程

通过使用合成或天然衍生的工程生物材料来替代受损组织，组织工程为传统移植提供了一个有希望的替代方案。目前壳聚糖类衍生物作为一种新兴的生物修复材料，已用于骨骼、心肌、皮肤、神经等组织工程研究中。

为解决大面积皮肤伤口愈合能力有限的问题，Ling 等将L-精氨酸（L-Arg）作为生物活性物质引入壳聚糖中，通过一种简单的合成路线制备生物功能水凝胶，对大面积创面愈合过程进行全面调控，将4 个、12 个、24 个、36 个、48 个、60 个、120 个L-Arg 分子与112 个壳聚糖分子放入模拟盒子中，在NVT系综下运行4ns后，分子动力学模拟表明，L-Arg在壳聚糖上的不同取代度会显著影响其分子排列和相互作用，通过在时间上调节L-Arg的释放，可以很好地调节生理性伤口愈合的协调过程。该材料可作为大型皮肤伤口修复的有效伤口敷料。

Kumar 等通过将壳聚糖（CTS）与各种功能化甲氧基聚乙二醇（mPEG）衍生物混合，并在低温下交联获得CTS/mPEG冷冻海绵，用分子模拟证实了该材料形成的两个主要方面：一是壳聚糖链与mPEG 衍生物之间的氢键作用，二是CTS/mPEG 冷冻海绵形成了能量稳定的分子复合物，并且组成分子组分之间潜在的化学相互作用可导致构象变化，从而导致共混物中的物理机械调节。该冷冻海绵可以在神经组织工程中提供特殊的应用。

3.1.3 杀菌抗菌

壳聚糖中的活性官能团能与细菌细胞膜发生相互作用，从而达到杀菌和抗菌的目的，对革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、米氏棒状杆菌等大量细菌展现出良好的抗菌活性。

分子动力学模拟已成为表征细胞膜和壳聚糖纳米颗粒之间相互作用的方法之一，因为这种方法提供了在高度受控条件下直接在原子水平研究物质行为的可能性。Fuster 等使用对称带电脂质双层和两种不同的壳聚糖模型，以不同程度的壳聚糖氨基质子化作为pH的函数，在350K的NPT系综下进行模拟，达到平衡时壳聚糖与细菌细胞膜表面发生强静电相互作用渗透到脂质双层中或分散在脂质双层上，模拟结果与壳聚糖金纳米颗粒的抗菌活性一致，其中壳聚糖的电荷密度是其抗菌活性的关键参数。Malekshah 等通过模拟对比了壳聚糖、壳聚糖席夫碱及壳聚糖席夫碱金属配合物与两种金黄色葡萄球菌酰基载体蛋白还原酶的结合能，模拟结果表明，壳聚糖化合物可作为抑制剂用于治疗金黄色葡萄球菌感染，其中壳聚糖席夫碱对两种金黄色葡萄球菌酰基载体蛋白还原酶的亲和力更高。

3.2 壳聚糖电解质膜燃料电池的模拟

石油和化石燃料燃烧造成了一系列严重的环境问题，如污染和全球变暖有关问题。为减少或消除对不可再生能源的依赖，聚合物电解质膜燃料电池因其在相对低温范围内的高效性和潜在用途而引起了广泛的研究兴趣。壳聚糖因其优异的成膜性和燃料阻隔性而被认为是聚合物电解质膜燃料电池的研究热点。

分子模拟技术旨在为聚合物电解质膜的设计和合成提供经济可靠的工具。Chávez等通过分子模拟方法研究了交联壳聚糖膜的离子导电机理，观察到膜主干上的氨基领导着电荷的流动迁移，对于用戊二醛交联的情况，壳聚糖膜结晶度的降低决定了系统电导率的增加。Srinophakun等从分子水平上阐述了壳聚糖膜的离子导电机理，预测了扩散系数和离子电导率，结果表明含水量为40%的系统最适合作导电材料，且离子电导率为7.14×10S/cm。Zhang等模拟研究了壳聚糖质子化度（pH）、石墨烯含量、水含量和温度对壳聚糖中水合氢离子扩散的影响，与实验相比得出了类似的结论，即40%的含水量是最适合水合氢离子输送的条件，温度对水合氢离子扩散行为的影响大于水含量，壳聚糖质子化或石墨烯的加入来改善水合氢离子在壳聚糖中的扩散行为，指导了壳聚糖石墨烯复合材料的实验。

3.3 壳聚糖作为缓蚀剂的模拟

各种工业过程中常常会涉及用盐酸进行清洗，如油井的酸洗、除垢以及酸化过程，不可避免地会对设备金属合金造成腐蚀和损失，并造成公共资源损失和环境破坏，因此采取一些防护措施很有必要。最常用的方法之一就是使用缓蚀剂，但大多数的缓蚀剂是有毒的，在此背景下，壳聚糖及其衍生物作为生态友好型缓蚀剂受到了广泛关注。基于分子动力学和量子化学计算的理论研究也被用来和实验结果相佐证，为开发壳聚糖基缓蚀剂材料提供理论指导。

缓蚀剂可以很容易地吸附在金属表面，形成阻止腐蚀的屏障，起到钢铁缓蚀的作用。图4表达了壳聚糖及其衍生物的缓蚀机理，改性壳聚糖在水中溶解度更高，与金属表面的相互作用力更强，从而形成更加致密的防腐蚀屏障。通过分子模拟技术能计算出缓蚀剂与金属表面的结合能，从而判断缓蚀剂的缓蚀效果。Chauhan 等通过密度泛函理论和蒙特卡洛分析表明，壳聚糖与肉桂醛合成的席夫碱和壳聚糖相比表现出更好的吸附行为，与中性形式的抑制剂相比，质子化形式的抑制剂显示出更好的吸附行为。Jmiai等分别计算出壳聚糖和海藻酸盐分子在铜表面的结合能均为负值，解释了壳聚糖和海藻酸盐分子在铜表面吸附的自发性，对比研究表明，壳聚糖材料与铜表面的结合能比海藻酸盐的结合能大，证实了对两种生物聚合物的实验结果。

图4 壳聚糖及其衍生物的缓蚀机理

此外，分子模拟技术也可以研究缓蚀剂分子结构的化学反应性，理解缓蚀效率与分子结构之间的关系。计算分子的轨道（HOMO和LUMO）能量和能隙（Δ）。HOMO 的能量通常与分子失去电子的能力有关，较低的负HOMO 能和较低的能隙反映了缓蚀剂与金属表面之间的强烈相互作用，从而判断缓蚀效果。

3.4 壳聚糖用于水处理中的模拟

近年来，壳聚糖作为新型的天然高分子絮凝剂和吸附剂，因其无毒性、生物可降解性等优异性能，受到越来越多研究者的关注，被广泛应用到水处理领域。使用分子模拟技术分析溶质和壳聚糖吸附剂的相互作用，可以从分子或原子水平上理解吸附过程和吸附机理，预测反应位点以及反应活性。表5为分子模拟在壳聚糖水处理领域的应用。

表5 分子模拟在壳聚糖水处理中的应用

Khnifira 等计算比较了不同pH下溶液中的铬黑T 染料分子（EB）与壳聚糖相互作用能大小，3.9＜pH＜6.4 时，染料分子（HEB）呈现出的一价阴离子形式是吸附在带正电荷形式壳聚糖上的最有利形式。量子化学参数提供了所有EB 形式的相对反应性行为，此外，分子间的相互作用和福井函数有助于预测聚合物分子中吸附的位点。

为了探究工业尾矿处理中多种类型的聚合物一起使用来增加絮凝作用的机理，Sun 等进行了一系列的分子动力学模拟，利用CLAYFF 力场在300K 的NPT 系综下进行模拟，在0～80ns 范围内获取体系的吸附构型，得到了壳聚糖（CT）、聚丙烯酰胺（PAM）、阴离子絮凝剂（MF） 与蒙脱土（Mt）的各种组合体系的模拟结果如图5～图7所示，均清除水分子以便观察清晰，研究了多种高分子絮凝剂的协同作用以及添加顺序的影响，观察到壳聚糖不仅作为聚丙烯酰胺、阴离子絮凝物与蒙脱土之间的桥梁，而且促进了它们在蒙脱土上的直接吸附，这些发现与实验中观察到的絮凝协同作用有很好的相关性，同时也对絮凝剂的选择和絮凝过程的设计有直接影响。

图5 Mt-CT、Mt-PAM、Mt-MF系统的最终构型[83]

图6 不同模拟时间Mt-（CT-PAM）、Mt-（CT-MF）系统的吸附构型[83]

图7 不同模拟时间（Mt-CT）-PAM、（Mt-PAM）-CT系统的吸附构型[83]

在重金属离子吸附方面，Hassan等基于密度泛函理论分析了壳聚糖单体（CS）及其柠檬烯和水杨醛两种衍生物（CC 和SC）对Hg的吸附，研究了所有吸附位点，并确定了吸附剂-金属离子络合物的稳定构象，计算结果表明，金属离子与氮原子的结合力比氧原子的结合力强，配合物的分子轨道（HOMO 和LUMO）能量能隙值（Δ）由大到小为SC-Hg、CS-Hg、CC-Hg，配合物稳定性随能隙的增加而增加，该研究表明水杨醛壳聚糖衍生物是一种很好的汞离子吸附剂。王炳捷等也计算了壳聚糖单体与三种金属离子（Cu、Co、Mn）的吸附能，且壳聚糖单体对铜离子的吸附能（Δ≥624kJ/mol）最大，并且通过分析三种不同金属螯合物结构，得出氨基中氮原子与金属离子的结合作用远强于羟基中氧原子与金属离子的结合作用，与Hassan等得出的结论一致。

4 结语与展望

壳聚糖作为绿色的可再生资源，分子模拟技术研究壳聚糖及其衍生物避免了烦琐的实验步骤，减少了资源的浪费，符合我国“碳达峰、碳中和”背景下的绿色发展方针。近年来，分子模拟技术已经成为研究壳聚糖及其衍生物的有效手段，无论是对于微观机理的探索还是分子结构的设计都具有重要意义。本文对壳聚糖研究领域中的分子模拟方法、模拟软件以及应用领域进行了综述，总结了近十年来国内外学者利用分子模拟技术研究壳聚糖的进展情况。随着计算机性能的不断提高、模拟方法和力场精度的不断完善，计算体系在不断复杂化，研究方向从宏观迈入介观和微观尺度，应用领域也在不断拓宽。

尽管分子模拟已经在壳聚糖研究中取得了不小的成就，但是实际模拟时难免会对某些模拟过程进行简化，降低模拟结果的精确性和可靠性。针对存在的问题，未来可从以下方面进行深入研究：①考虑反应体系的复杂性，减少模拟过程的简化，建立更可靠的分子模型；②对同一过程进行重复计算，计算时可结合不同计算模块进行多尺度模拟；③模拟结论与实验结果相互印证、互为补充；④尝试将分子模拟与机器学习相结合，快速准确地解决材料筛选、数据处理以及性质预测等问题。