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碳管膜内乙醇/水混合物的分子模拟研究
酒精性肝病一直是酒民们广泛关注的问题，而当严重酗酒时可诱发广泛干细胞坏死甚至肝功能衰竭。当人体饮酒后，酒精进入人体，90%在肝脏中代谢[1]。乙醇及其代谢产物（主要是乙醛）不仅引起肝细胞的脂肪变性、坏死，还促进肝纤维化。乙醇的脂溶性特点使得它能分割生物膜的脂质双分子层而影响膜的结构和功能；进入肝细胞后经过氧化代谢产生有毒物质乙醛，阻止其自身在线粒体的氧化[2]。乙醇通过自由扩散的形式进出细胞膜。认清乙醇进出细胞膜的过程，进而在一定程度上控制乙醇进入生物细胞膜，对预防酒精性肝病有重要作用。
碳纳米管可以作为研究仿生离子通道的模型[3]，研究者们以此为依据，首次利用自组装而成的有效直径为0.64nm的疏水纳米管，实现了高选择性生物钾离子通道的仿生[4]。近来成功的将一定长度和孔径的碳管插入磷脂双分子层膜中[5]，也证实了碳纳米管在仿生通道研究中的重要作用。碳纳米管是这样一种材料，研究者们发现水分子在碳管内的流动速率比传统经验方程预测的提高了几个数量级，并解释为碳管光滑的内壁和水与表面的弱相互作用[6]。水在尺寸在2nm以下的碳管内的透过主要是以分子扩散或表面传递的方式，而不是经典的介孔材料中或体相流体流动符合的粘性流[7]。大量的实验[8,9]和分子模拟[10,11]工作探索了水分子在碳纳米管内的流动，并解释水分子高流率的机理，得到了很多有价值的结果。碳纳米管作为生物膜通道模型研究乙醇进出细胞膜的过程，能够准确快捷的认识生物膜的乙醇通道。
计算机分子模拟方法作为一种全新的研究手段，己经逐步变成与理论研究平行和兼具理论研究和实验测定手段的计算机实验科学研究方法，与理论研究及实验测定,逐步形成了三足鼎立之势。一般地,分子模拟方法主要有四种：量子力学(QM)法，分子力学法(MM)法，分子蒙特卡洛(MC)法和分子动力学(MD)法。但是按照获得分子位形或微观状态的方法，可以将分子模拟分为两大类：一类按照一定的统计分布构作不同的分子位形，称为Moniecarlo(MC)方法，是一种随机方法。另一种是对分子求解动力学方程，从而获得不同的微观状态，相对MC方法而言更具有确定性，称为分子动力学方法(MD)。分子动力学模拟是从体系中的作用出发求解其运动方程，得到体系微观态随时间的变化，进而得到组成粒子的空间分布等微观结构和粒子的扩散系数等宏观性质。分子模拟技术给这个领域的研究提供了一个很好的方法。Gubbins教授和他的合作者们利用分子模拟技术研究了在各种不同的纳米孔道中简单气体、水和混合物的吸附和相平衡。本课题组前期使用分子模拟方法研究了碳管内水的静态和动态性质，促进了对目前广泛关注的受限流体的研究。
醇类分子既能如水分子一般在分子之间形成氢键，同时醇类分子具有非极性和极性基团，这可能会加剧纳米管-水和水-水这两个作用的各向异性。江绍毅和他的合作者[12]利用非平衡MD模拟研究了在憎水和亲水孔道中甲醇分子的流动。他们发现当同时具有甲基和羧基的甲醇分子的在表面充分润湿后，原来亲水的表面会不可避免的转变成一个憎水表面。Morineau和其合作者利用中子散射[13]和MD模拟[14]研究了在二氧化硅纳米孔中甲醇分子的行为。他们的研究结果显示，因为甲醇分子拥有一个非极性基团，其和孔道表面化学基团结合氢键会显著影响甲醇分子的局部结构。研究者[15]还研究了甲醇在碳纳米孔道中的熔融和冻结过程，发现其熔点和纳米管-流体之间的相互作用有密切的关系。虽然上述研究加深了我们对受限乙醇的理解，但是仍有一些受限乙醇分子的重要问题尚待解决。其中一个关键问题是乙醇的结构与扩散的关系。先前的理论研究已经发现受限分子的结构特性对孔道尺寸的变化非常敏感，而流体在孔道内的传递[16]和相转变[17]又受流体结构的巨大影响。
乙醇分子在单壁碳纳米管内的结构和扩散鲜有报道。Shao等利用分子模拟的方法研究了常温常压下受限于（8,8）和（15,15）单壁纳米碳管中的乙醇分子，发现管内乙醇分子的平均氢键数目和主体相一致。乙醇分子在（8,8）碳管内具有高度有序的结构；在管内乙醇分子的轴向扩散系数低于主体相，特别在（8,8）碳管内乙醇分子几乎丧失了轴向扩散能力[18]。乙醇和水的混合物在碳管内的结构和扩散更加复杂，是由混合物内复杂的氢键结构决定的。通过对金纳米管内乙醇和水的行为研究发现，分子的性质和体相有着明显的差异；氢键不仅在同种材料中，而且会在不同种类的材料中产生[19]。研究乙醇和水的混合物在碳管内的结构和扩散对生物膜内的乙醇通道的认识所起的作用十分重要。
综上所述，乙醇进出生物膜过程的认识，对酒精性肝病的预防具有重要作用。碳纳米管作为已经被广泛接受的生物膜通道模型，可以用来研究生物膜乙醇通道。理解乙醇和水在碳管内的结构和扩散，是乙醇通道的关键。
参考文献
[1]董时见.肝博士,2011,6,54.
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