碳纳米管(CNTs)由于独特的结构和优异的理化性质,在与生物体接触时会表现出显著的生物学效应。尤其在药物输运和偶极信号调控方面更是表现突出,也是研究的热点,本文正是围绕这两方面来展开论述。首先,碳纳米管凭借其可观的比表面积、长径比以及内部中空结构的特性,在药物输运方面显示出巨大的潜力。但是,已有的研究未能彻底揭示出药物输运的详细的动力学过程和深层次机理。包括药物分子在碳纳米管内的封装过程,药物分子-碳纳米管复合物在细胞膜内的渗透过程以及药物分子在细胞膜内的释放,这些生物现象在物理层面上的作用机理尚不清楚。因此,本文以普瑞巴林(PRE)为药物小分子代表,以单壁碳纳米管(SWCNT)为输运通道,以磷脂双层膜为细胞膜模型,运用分子动力学模拟的方法,主要探究了在水溶液中药物分子普瑞巴林在磷脂双层膜内的渗透,浓度对药物分子在磷脂双层膜内分布的影响,药物分子在最优碳纳米管内的封装及其稳定性,药物分子-碳纳米管复合物在磷脂双层膜内的渗透以及药物分子在膜内从碳纳米管中的释放。对碳纳米管的药物输运这一生物学效应的探索,期望能为靶向药物疗法指明方向,也期望碳纳米管作为分子输运的载体,能在药物和基因输运、生物传感器以及纳米医学诊断和治疗方面提供理论指导。其次,拥有纳米级尺寸的碳纳米管在偶极信号调控中发挥着重要的作用,这一突出的生物学效应使碳纳米管显示出重要的开发价值。研究表明,受限在具有合适管径的碳纳米管中的水分子可以形成单条水链,用电荷可以诱发单链水分子的偶极方向有序变化,即由电荷信号转化为碳纳米管内水分子的偶极信号。但是,在现有的研究中,对于能够影响受限碳纳米管内水的偶极子翻转的因素还不太清楚。因此,本文从三个方面即温度、电场和电荷出发,运用分子动力学模拟的方法,探索能够操控单壁碳纳米管中水的偶极子翻转的因素,进而对热噪声的处理提供技术方案,为碳纳米管作为信号处理的纳米器件提供进一步的理论指导。本文主要的结果和结论,如下:1.在药物输运前期的封装模拟中,发现(6,6)、(7,7)和(8,8)三种不同类型的碳纳米管中,药物分子在(7,7)碳纳米管中的自由能最低,约为-72 k J/mol,远低于在水溶液中的,表明药物分子能够自发地从水溶液中进入到碳纳米管内,并稳定地停留在那里,形成复合物结构。也说明了(7,7)碳纳米管适合作为封装药物分子的最佳孔径大小的碳纳米管类型。而且,由于碳纳米管和磷脂分子尾链之间的疏水相互作用,普瑞巴林-碳纳米管复合物可以很容易地从磷脂双层膜外进入到膜内。与药物分子在磷脂双层膜中心较高的能垒(17.3 k J/mol)相比,碳纳米管在膜中心拥有最低的自由能(约为-100 k J/mol),因此,这个复合物结构可以降低进入磷脂双层膜的能垒,通过膜中心。2.在后期的释放模拟中,药物分子能够从膜内的碳纳米管中逐个得到释放,驱动力主要为磷脂分子头基和药物分子极性基团之间的静电相互作用。而且靠近碳纳米管端口的药物分子极性基团朝外的取向有利于药物分子从碳纳米管中释放出来。同时,相比于2.4 nm长的(7,7)碳纳米管中有一个药物分子不能释放,而长度为1.6 nm的碳纳米管中的药物分子完全得到释放的情况,说明更短的碳纳米管可以提高药物分子的释放效率。碳纳米管在药物输运领域展现出良好的应用前景。3.在偶极信号调控研究中,碳纳米管中水的偶极子翻转的频率随着温度的升高而增加,翻转背后的驱动力为水分子随机的热运动。这种由热运动驱动的偶极翻转可以被外加电场和电荷所调控。当施加均匀电场时,管内水分子的偶极方向与电场的方向一致并随电场的方向而改变。而且当均匀电场强度大于0.1 V/nm时,源于热运动的管内水分子的偶极翻转完全被控制住。与均匀电场的效果相似,外加电荷同样可以调控水分子的偶极信号的翻转频率,且偶极子的方向随电荷的极性而改变。当临界电荷值为1.0 e时,水分子的偶极翻转完全被控制住。碳纳米管内的偶极翻转的热噪声能被外加电场或电荷很好地抑制住。