2021年8月23日，客服中心反馈福建某附属医院的老师需要对其实验现象进行机理分析，接到反馈后，测试工程师第一时间与客户进行详细沟通，情况如下：

客户背景

客户是福建某附属医院的老师，其进行实验发现，氧等离子体处理后的钛表面含有羟基，有机硅季铵盐（ODDMAC）与羟基发生 反应后固定在钛材料表面，想模拟随着 ODDMAC 的增多，各分子间发生的相互作用，比如有 ODDMAC 与羟基的反应、ODDMAC 单体之间的自聚合、长碳链的卷曲折叠等等。想通过模拟计算方法，对实验现象从理论上解释，进而理论与实验相结合，更加充分证明实验的准确性和科学性。

样品名称

氧等离子体处理后的钛表，有机硅季铵盐（ODDMAC）

客户需求

对 ODDMAC 在材料表面结合后引发材料相关性质的一系列改变，从微观上做个解释：

1. 氧等离子体处理后材料表面水接触角变小（亲水性增大），随着 ODDMAC 的增多，水接触角变大（亲水性减小）。 

2. ODDMAC 中氨基为抗菌基团，长碳链也可以发挥一定的抗菌作用，但是随着ODDMAC 的增多抗菌性减弱。 

3. 氧等离子体处理后材料表面对细胞的亲和性升高，但是随着 ODDMAC的增多对细胞的促进作用降低，甚至影响细胞的黏附和生长。

解决方案

1.构建模型：

根据不同的表面处理，分三组建模： 

1）ODDMAC：OH = 1：4； 

2）ODDMAC：OH = 2：8； 

3）ODDMAC：OH = 3：12

1.计算方法 

所有用于优化的自旋极化计算都是使用 VASP软件包进行的。交换相关泛函由广义梯度近似(GGA)中的 PBE泛函描述。采用项目增广波(PAW)方法 5 处理核心电子，设置平面波基截止能量为 450 eV。此外，采用了三维轨道电子的“+U”Hubbard 校正，避免了自旋电子间斥力对 GGA 的考虑不足。Ti 金属中心的 U 值为 2.58 eV。 

分子动力学运用 Material Studio 软件进行，立场选择 COMPASS；系综 NVT；室温（298K）下模拟 50 ps，每 500 步获取一个结构，选择最稳定结构进行研究分析。

2.理论结果 

亲水性由动力学模拟结果的的水的数密度来讨论（包含自聚对亲水性的影响），数密度可以反应一个位置组分的相对浓度； 

关于 N 基团被覆盖用径向分布函数来表述；

抗菌性，计算 N+的 bader 电荷（带电量），衡量抗菌性。

客户反馈

客户对模拟方向了解很少，我们依据客户提供的信息，制定可行方案。模拟结果数据非常好，能够很好契合客户的实验现象。实验数据如下：

纵向（001）的水密度分布，（100，010方向的数据也在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顶部去了（即35?附近），综合体现1，2，3的疏水性程度3>2>1，符合预期。

对N来说，周围的H2O分子分布距离，可以明显看到3（蓝线），N周围的H2O出现概率明显偏小。【纵坐标g（r）代表原子出现的平均概率，即N周围出现H2O的概率】【横坐标为N和H2O的距离】，与实验设想的碳链卷曲包覆N可以一致。

含N基团带正电量和抗菌性可以挂勾，即带正电量越多 越能使细胞膜带负电的细菌失活。由图可知，1带正电最多，证明其抗菌性最好，2和3 的抗菌性逐渐减弱，与前面计算结果及实验结果吻合。