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2021年8月23日，客服中心反饋福建某附屬醫(yī)院的老師需要對(duì)其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行機(jī)理分析，接到反饋后，測(cè)試工程師第一時(shí)間與客戶(hù)進(jìn)行詳細(xì)溝通，情況如下：

客戶(hù)背景

客戶(hù)是福建某附屬醫(yī)院的老師，其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氧等離子體處理后的鈦表面含有羥基，有機(jī)硅季銨鹽（ODDMAC）與羥基發(fā)生 反應(yīng)后固定在鈦材料表面，想模擬隨著 ODDMAC 的增多，各分子間發(fā)生的相互作用，比如有 ODDMAC 與羥基的反應(yīng)、ODDMAC 單體之間的自聚合、長(zhǎng)碳鏈的卷曲折疊等等。想通過(guò)模擬計(jì)算方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象從理論上解釋?zhuān)M(jìn)而理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，更加充分證明實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

樣品名稱(chēng)

氧等離子體處理后的鈦表，有機(jī)硅季銨鹽（ODDMAC）

客戶(hù)需求

對(duì) ODDMAC 在材料表面結(jié)合后引發(fā)材料相關(guān)性質(zhì)的一系列改變，從微觀上做個(gè)解釋?zhuān)?/p>

1. 氧等離子體處理后材料表面水接觸角變小（親水性增大），隨著 ODDMAC 的增多，水接觸角變大（親水性減小）。 

2. ODDMAC 中氨基為抗菌基團(tuán)，長(zhǎng)碳鏈也可以發(fā)揮一定的抗菌作用，但是隨著ODDMAC 的增多抗菌性減弱。 

3. 氧等離子體處理后材料表面對(duì)細(xì)胞的親和性升高，但是隨著 ODDMAC的增多對(duì)細(xì)胞的促進(jìn)作用降低，甚至影響細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)。

解決方案

1.構(gòu)建模型：

根據(jù)不同的表面處理，分三組建模： 

1）ODDMAC：OH = 1：4； 

2）ODDMAC：OH = 2：8； 

3）ODDMAC：OH = 3：12

1.計(jì)算方法 

所有用于優(yōu)化的自旋極化計(jì)算都是使用 VASP軟件包進(jìn)行的。交換相關(guān)泛函由廣義梯度近似(GGA)中的 PBE泛函描述。采用項(xiàng)目增廣波(PAW)方法 5 處理核心電子，設(shè)置平面波基截止能量為 450 eV。此外，采用了三維軌道電子的“+U”Hubbard 校正，避免了自旋電子間斥力對(duì) GGA 的考慮不足。Ti 金屬中心的 U 值為 2.58 eV。 

分子動(dòng)力學(xué)運(yùn)用 Material Studio 軟件進(jìn)行，立場(chǎng)選擇 COMPASS；系綜 NVT；室溫（298K）下模擬 50 ps，每 500 步獲取一個(gè)結(jié)構(gòu)，選擇最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析。

2.理論結(jié)果 

親水性由動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果的的水的數(shù)密度來(lái)討論（包含自聚對(duì)親水性的影響），數(shù)密度可以反應(yīng)一個(gè)位置組分的相對(duì)濃度； 

關(guān)于 N 基團(tuán)被覆蓋用徑向分布函數(shù)來(lái)表述；

抗菌性，計(jì)算 N+的 bader 電荷（帶電量），衡量抗菌性。

客戶(hù)反饋

客戶(hù)對(duì)模擬方向了解很少，我們依據(jù)客戶(hù)提供的信息，制定可行方案。模擬結(jié)果數(shù)據(jù)非常好，能夠很好契合客戶(hù)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

縱向（001）的水密度分布，（100，010方向的數(shù)據(jù)也在origin里，可自取），可以看到15?的地方水密度 1>2>3，而15?差不多就是所在的高度，可知ODDMAC越多，越疏水；3的水大多被集中到ODDMAC頂部去了（即35?附近），綜合體現(xiàn)1，2，3的疏水性程度3>2>1，符合預(yù)期。

對(duì)N來(lái)說(shuō)，周?chē)腍2O分子分布距離，可以明顯看到3（藍(lán)線），N周?chē)腍2O出現(xiàn)概率明顯偏小。【縱坐標(biāo)g（r）代表原子出現(xiàn)的平均概率，即N周?chē)霈F(xiàn)H2O的概率】【橫坐標(biāo)為N和H2O的距離】，與實(shí)驗(yàn)設(shè)想的碳鏈卷曲包覆N可以一致。

含N基團(tuán)帶正電量和抗菌性可以掛勾，即帶正電量越多 越能使細(xì)胞膜帶負(fù)電的細(xì)菌失活。由圖可知，1帶正電最多，證明其抗菌性最好，2和3 的抗菌性逐漸減弱，與前面計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。