Крупнозернистая модель полимера хитозана
для исследования комплекса
«хитозан+углеродные низкоразмерные структуры»
, ,
Саратовский государственный университет им.
E-mail: *****@
В настоящее время широкое распространение получили биополимеры. По сравнению с более прочными и дешевыми синтетическими аналогами, биополимеры обладают лучшими биодеградирующими и биосовместимыми свойствами [1]. Особого внимания заслуживает один из наиболее распространенных в пророде биополимеров – хитозан. Он обладает рядом уникальных свойств и применяется в промышленности и в медицине [2-5]. С целью улучшения механических свойств биополимера хитозана разрабатываются новые биокомпозитные материалы, в которых он смешивается с более прочными материалами, например, углеродными низкоразмерными структурами [6-9]. Для выработки эффективного технологического способа синтеза биополимера целесообразно осуществить теоретическое прогнозирование механических свойств будущего материала в зависимости от взаимной ориентации компонент и концентрации упрочняющих веществ. Для этих целей предлагается использование компьютерного симулирования с использованием новых методов, разработанных для исследования структуры и свойств низкоразмерных объектов. Одним из наиболее эффективных методов компьютерного моделирования является молекулярная динамика. Для упрощения проводимых исследований используется новый хорошо зарекомендованный способ, заключающийся в уменьшении числа атомов системы путем замены групп атомов одним виртуальным, несущим в себе свойства данной группы. На сегодняшний день построены крупнозернистые модели биологических макромолекул, таких как фосфолипиды, протеины и др. [14-18]. Однако таким биополимерам, как хитозан, внимания уделяется мало. Авторами была найдена только одна крупнозернистая модель хитозана, в которой учитывается его взаимодействие лишь с другими полимерами [19].
Таким образом, целью данной работы является построение молекулярно-механической модели хитозана, позволяющей значительно уменьшить число вычислений в рамках метода молекулярной динамики, при этом эффективно передавать энергетические и геометрические характеристики исследуемого объекта во взаимодействии с углеродными низкоразмерными структурами.
|
|
а) | б) |
Рис. 1. Создание укрупненной модели атомной структуры молекулы димера хитозана на основе его химического строения.
Предложенная новая крупнозернистая модель, уменьшающая приблизительно в 2 раза число атомов в исследуемой молекуле хитозана, является достаточно эффективным средством изучения поведения указанного биополимера как в свободном состоянии, так и во взаимодействии с другими структурами. Модель обладает следующими свойствами:
1) для описания поведения хитозана как на атомистическом уровне, так и в рамках крупнозернистого симулирования, используется универсальный метод молекулярной динамики с широко известным силовым полем AMBER;
2) модель достаточно точно воспроизводит все энергетические характеристики хитозана – как димера, так и структур, образованных из димеров;
3) модель верно воспроизводит структурные характеристики исследуемых объектов, не нарушая топологическое строение образованных структур;
4) модель эффективно воспроизводит характер устойчивости той или иной исследуемой структуры, в том числе композитов на основе хитозана и углеродных низкоразмерных структур.
Работа выполнена при финансовой поддержке фонда РФФИ (грант № 3).
Библиографический список
1. Ramakrishna S., Mayer J., Wintermantel E. and Leong K. W. Biomedical applications of polymer-composite materials: a review // Compos. Sci. Technol., 2001, Vol. 61, P.
2. Goosen M. F.A. (editor) Applications of Chitin and Chitosan – CRC Press, 1996, 336 p.
3. Kossovich L. Y., Salkovskiy Y. E., Kirillova I. V. Electrospun Chitosan Nanofiber Materials as Burn Dressing // IFMBE Proceedings, Singapore, Springer, 2010, Vol. 31, P.
4. Baldrick P. The safety of chitosan as a pharmaceutical excipient // Regul Toxicol Pharmacol, 2009, Vol. 56, Issue 3, P. 290–299.
5. Agnihotri S. A., Mallikarjuna N. N. and Aminabhavi T. M. Recent advances on chitosan-based micro - and nanoparticles in drug delivery // Journal of Controlled Release, 2004, Vol. 100, Issue 1, P. 5–28
6. Liang D., Hsiao B. S. and Chu B. Functional electrospun nanofibrous scaffolds for biomedical applications // Adv. Drug Deliver., 2007, Vol.59, P. .
7. Li Q., Zhou J. and Zhang L. Structure and properties of the nanocomposite films of chitosan reinforced with cellulose whiskers // J. Polym. Sci., Pol. Phys., 2009, Vol. 47, P.
8. Thostenson E. T., Li C. and Chou T.-W. Nanocomposites in Context // Compos. Sci. Technol., 2005, Vol. 65, P. 491-516.
9. Fan H., Wang L., Zhao K., Li N., Shi Z., Ge Z., and Jin Z. Fabrication, Mechanical Properties, and Biocompatibility of Graphene-Reinforced Chitosan Composites // Biomacromolecules, 2010, Vol.11, P. 2345–2351
10. Marrink S. J., de Vries A. H., and Mark A. E. Coarse Grained Model for Semiquantitative Lipid Simulations // J. Phys. Chem. B 2004, 108, 750-760.
11. Tozzini V. Coarse-grained models for proteins // Current Opinion in Structural Biology 2005, Vol. 15, P. 144–150.
12. Nielsen SO, Lopez CF, Srinivas G, Klein ML. Coarse grain models and the computer simulation of soft materials. // J. Phys. Condens. Matter 2004. Vol.16, P.481–512
13. Rudnicki WR, Bakalarski G, Lesyng B. A. mezoscopic model of nucleic acids. Part 1: Lagrangian and quaternion molecular dynamics. // J. Biomol. Struct. Dyn. 2000.Vol. 17, P.1097–108
14. Ahmad S., Johnson B. F., Mackay S. P. et. al. In silico modelling of drug-polymer interactions for pharmaceutical formulations // J. R. Soc. Interface. 2010 7 Suppl 4, P.423-433.
Сведения об авторах
– д. ф.-м. н., доцент, г.
– к. ф.-м. н., г.
– к. ф.-м. н., г.
– г.
Вид доклада: устный (/ стендовый)
