根据分子动力学模拟预测牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统的方法与流程

本发明属于纳米给药技术领域，特别涉及一种根据分子动力学模拟预测牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统的方法。

背景技术：

分子动力学模拟是指通过在原子、分子水平上求解多体问题，而从微观的角度研究物质枝江相互作用的一种重要的计算计模拟方法。同时，通过使用不同的软件模块，得到体系中各分子、原子的微观状态随时间的动态变化。而materialsstudio(ms)分子模拟软件是一种功能强大且应用于材料科学领域的新一代软件。并且，ms软件不同模块可以提供多种结构确定、性质预测及模拟的方法。

近年来通过计算机辅助设计的手段来模拟和研究药物与载体之间的相互作用越来越受到人们的关注。许多研究者通过对药物与载体进行模拟，可以深入探究药物与载体的作用机制和作用位点，同时也为实验的设计和操作提供有力的依据。而石墨烯作为一种新型纳米材料，其具有大的比表面积，丰富的π电子堆积，非常容易通过π-π堆叠或者氢键等非共价键作用力与药物进行相互作用。因此，近年来，一些研究人员开始利用计算机模拟的方法来研究以石墨烯为基础的纳米药物载体与药物之间的相互作用力，同时深入探究其产生相互作用的根本原因。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种根据分子动力学模拟预测牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统的方法，该方法能够通过利用materialsstudio(ms)分子模拟软件，采用分子动力学的方法直接计算出体系的msd，从而计算出各组分的扩散系数，为牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统的设计提供指导。

为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：根据分子动力学模拟预测牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统的方法，其特征在于，其步骤为：

步骤1)构建牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统分子动力学模型，得到构型文件；

步骤2)使用步骤1)中得到的构型文件进行分子动力学模拟，动力参数设定为：压力为101.325kpa；系统控温：设定初始温度为298k，后升温到所需测定扩散系数的温度，最后保持该温度；完成并得到控制文件；

步骤3)运用分子动力学方法计算并输出各组分的均方位移msd数据；

步骤4)将msd数据绘制成msd对时间的曲线；

步骤5)计算出msd对时间的斜率；

步骤6)根据爱因斯坦扩散定律求出扩散系数。

所述的步骤1)中，具体方法为：

基于materialsstudio软件建立的以牛磺酸修饰的氧化石墨烯和5-氟尿嘧啶为基础的三维分子动力学模型：

1.1)使用chemoffice2014绘制模型药物5-fu的化学结构式，并使用polymerandmoleculebuilders模块绘制载体go-tau的结构；

1.2)进行结构优化之后，用compsasii力场对5-fu和tau-go进行最优化分析，并用vmd可视化软件转化为分子动力学模拟软件materialsstudio所需的data文件。

所述的步骤5)中，具体方法为：

msd为各组分在对应步长的均方位移，将步长转化为时间，实际计算求解时是使用线性拟合的数据处理方法对msd的曲线进行线性拟合，拟合出的斜率k为msd对时间的斜率，

其中：t代表时间；

表示粒子在时间t时的位置；

表示0时刻粒子的位置。

所述的步骤6)中，具体方法为：

根据下述的爱因斯坦方程式得出扩散系数(d)：

其中：d是扩散系数；

d是系统的维数；

是粒子在时间t时的位置；

t＝0表示时间原点；

代表msd。

本发明创造的有益效果为：

本发明提供了一种根据分子动力学模拟预测牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统的方法，为牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统的构建提供一定的理论基础。同时从微观角度出发，深入探究药物于载体之间作用的机制，通过对不同原子比例的纳米载药系统在不同温度下的扩散系数及扩散行为的研究，对牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统的设计起到指导作用。

附图说明：

图1为tau-go与5-fu分子的分子动力学模拟图。

图2为tau-go与5-fu分子的msd曲线。

具体实施方式

根据分子动力学模拟预测牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统的方法，其步骤为：

步骤1)构建牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统分子动力学模型，得到构型文件；具体方法为：

基于materialsstudio软件建立的以牛磺酸修饰的氧化石墨烯和5-氟尿嘧啶为基础的三维分子动力学模型：

1.1)使用chemoffice2014绘制模型药物5-fu的化学结构式，并使用polymerandmoleculebuilders模块绘制载体go-tau的结构；

1.2)进行结构优化之后，用compsasii力场对5-fu和tau-go进行最优化分析，并用vmd可视化软件转化为分子动力学模拟软件materialsstudio所需的data文件。

步骤2)使用步骤1)中得到的构型文件进行分子动力学模拟，完成控制文件，即in文件。设定materialsstudio软件中分子动力学模拟的参数：系统控温方法和系综nvt；压力为101.325kpa；系统控温方法具体为设定初始温度为298k，后升温到所需测定扩散系数的温度，最后保持该温度。

步骤3)运用分子动力学方法计算并输出各组分的均方位移msd数据。

步骤4)将msd数据绘制成msd对时间的曲线。

步骤5)计算出msd对时间的斜率；具体方法为：

msd为各组分在对应步长的均方位移，将步长转化为时间，实际计算求解时是使用线性拟合的数据处理方法对msd的曲线进行线性拟合，拟合出的斜率k为msd对时间的斜率，

其中：t代表时间；

表示粒子在时间t时的位置；

表示0时刻粒子的位置。

步骤6)根据爱因斯坦扩散定律求出扩散系数；具体方法为：

根据下述的爱因斯坦方程式得出扩散系数(d)：

其中：d是扩散系数；

d是系统的维数；

是粒子在时间t时的位置；

t＝0表示时间原点；

代表msd。

因此，在一个三维系统中，d等于斜率的六分之一。

实施例1：牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统的计算机辅助设计研究

本发明实施例中，图1为tau-go与5-fu分子的分子动力学模拟图。图2为tau-go与5-fu分子的msd曲线。一种根据分子动力学模拟预测牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统的方法归纳起来分为以下步骤：步骤一：构建牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统分子动力学模型，并导出构型文件，即data文件；步骤二：完成控制文件，即in文件；步骤三：运用分子动力学方法计算并输出各组分的均方位移msd数据；步骤四：将msd数据绘制成msd对时间的曲线；步骤五：计算出msd对时间的斜率；步骤六：根据爱因斯坦扩散定律求出扩散系数。

首先，构建牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统分子动力学模型：

牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统由二维结构的tau-go和5-fu原子组成。首先用chemoffice2014绘制模型药物5-fu的化学结构式，并使用polymerandmoleculebuilders模块绘制载体go-tau的结构。进行结构优化之后，用compsasii力场对5-fu和tau-go进行最优化分析，并用vmd可视化软件转化为分子动力学模拟软件materialsstudio所需的data文件。

其次，控制文件中参数的设定：在materialsstudio软件中确定分子动力学模拟计算所必需的相关参数：系综为nvt，对每个系统进行10ps的nvt平衡，系统初始温度设定为298k，压力为101.325kpa，步长为1fs，用100psmd进行模拟。

再次，采用分子动力学模拟方法计算并输出牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统的msd数据：启动分子动力学模拟的计算，输出牛磺酸修饰的氧化石墨烯纳米载药系统动态过程的msd数据。

再次，使用线性拟合的数据处理方法对msd的曲线进行线性拟合，拟合出的斜率k为msd对时间的斜率，其中式中t代表时间，表示t时刻粒子的位置，表示0时刻粒子的位置。根据爱因斯坦方程式得出扩散系数(d)。其中d是扩散系数，d是系统的维数，是粒子在时间t时的位置，t＝0表示时间原点。代表msd。因此，在一个三维系统中，d等于斜率的六分之一。

最后：根据上述方法对tau-go与5-fu进行分子动力学模拟，模拟图如下图1所示。同时，我们根据不同时间点模拟得到的数据做出tau-go与5-fu的msd随时间变化的曲线，如下图2所示。根据计算结果可知，tau-go与5-fu的msd曲线斜率为0.346，说明其扩散系数为0.058。而扩散系数越小，就说明系统越趋于稳定，不易于扩散和释放。tau-go与5-fu的扩散系数较小，这说明go-tau与5-fu之间的非共价键作用力较强，形成的tau-5-fu-go系统也较稳定，不容易扩散和解体，说明从计算机辅助的角度来看，构建tau-5-fu-go载药系统是可行的，且可被应用于实践的。