引言
水凝胶作为具有高含水量的三维网络结构材料，在生物医学和材料科学领域具有广泛应用。非离子型共溶剂如糖类对水凝胶的溶胀行为具有显著影响，其中聚丙烯酰胺因其对糖类溶剂的敏感性成为理想模型体系。实验表明葡萄糖在引起PAAm凝胶溶胀的同时，却呈现优先排除现象，这一表观矛盾成为本研究关注的核心科学问题。
方法
研究采用全原子分子动力学模拟，构建了20、50和100个单体长度的PAAm聚合物模型，在0.50、0.75和1.00 mol·L-1葡萄糖水溶液中进行模拟。通过最小距离分布函数分析溶剂化结构，结合Kirkwood-Buff理论计算优先相互作用参数。模拟使用CHARMM36力场描述PAAm，TIP3P水模型，以及经实验验证的葡萄糖力场参数。
PAAm的溶剂化结构与优先水合
MDDFs分析显示水分子在PAAm表面1.9Å处形成显著氢键作用峰，而葡萄糖在2.2Å处呈现较宽作用峰。氢键分析表明每个葡萄糖分子可与PAAm形成约2.5个氢键，局部浓度可达体相两倍。Kirkwood-Buff积分计算证实葡萄糖在所有浓度下均呈现负值（约-7 L·mol-1），优先水合参数Γpc为负值（1.0 M时为-1.7），表明PAAm在葡萄糖溶液中确实呈现优先水合状态。
葡萄糖对PAAm构象的结构影响
尽管全局结构参数（回转半径和末端距）未显示显著浓度依赖性，但二面角分布分析揭示了葡萄糖对聚合物构象的精细调控。Ramachandran图谱显示葡萄糖优先稳定(φ,ψ)=(-60°,180°)构象（种群2），同时削弱(φ,ψ)=(180°,+60°)构象（种群3）的稳定性。间歇生存概率分析表明葡萄糖显著延长ψ≈-60°构象的持续时间，体现构象选择性稳定效应。构象-尺寸关联分析显示种群2构象与较大回转半径正相关，为葡萄糖诱导的聚合物扩展提供结构基础。
残基水平溶剂化分析
官能团分解表明水分子主要与羰基形成氢键，而葡萄糖优先与酰胺氮原子相互作用。扩展构象呈现更规则的溶剂分布模式，而紧凑构象导致溶剂分布异质性增强。二维溶剂化图谱直观展示了沿聚合物链的规律性溶剂分布模式，凸显构象状态对局部溶剂环境的调制作用。
葡萄糖诱导聚合物溶胀的机制阐释
研究揭示了表观矛盾的溶解剂行为的内在机制：葡萄糖虽整体被排除出聚合物域，但通过特异性氢键作用调控主链二面角构象，促进扩展构象种群。这种构象重排与局部空间约束效应共同作用，最终导致凝胶网络扩张。该发现为理解"劣溶剂诱导溶胀"这一非常规现象提供了分子层面解释。
结论
本研究通过MDDFs方法首次揭示了PAAm在葡萄糖水溶液中的精细溶剂化结构，阐明了优先水合与凝胶溶胀现象并存的结构基础。葡萄糖通过特异性相互作用调控聚合物构象 ensemble，为智能水凝胶设计及糖类生物大分子相互作用研究提供了重要理论依据。
