Введение 3
Полиаспарагиновая кислота и полимериндуцированная минерализация 3
Влияние ионов на конформацию полиэлектролита 4
Выбор силового поля 11
Модели и метод 12
Результаты моделирования 15
Размеры цепочки PAsp в растворах хлорида кальция 16
Распределение ионов кальция вблизи карбоксильных групп PAsp 18
Конформация цепочки PAsp 23
Заключение 26
Список литературы 27
Полиаспарагиновая кислота (PAsp) (рис. 1) - это полипептид,
представляющий собой многофункциональный биополимер, широко применяемый в водных фильтрах [1], в составе медицинских препаратов [2] и антикоррозийных средств [3]. Наибольший интерес к PAsp связан с возможностью ее использования в области тканевой инженерии при синтезе костных имплантатов [4].
Органоминеральные композиты являются перспективными для создания костных имплантатов, поскольку они по своему составу имитируют костную ткань. Одним из способов синтеза органоминеральных композитов является метод полимериндуцированной минерализации , основывающийся на тех же принципах, которые реализуются в организме. Суть этого метода заключается в том, что минерализация органической матрицы осуществляется в присутствии полимерного агента в растворах кальций содержащих солей, имитирующих минеральный состав тканевой жидкости. Считается, что полимерный агент захватывает ионы, формируя “жидкоподобную” минеральную фазу, которая потом в результате электростатических взаимодействий и капиллярных эффектов доставляется на поверхность и, что важно, в полости органической матрицы, где впоследствии кристаллизуется. Таким образом, формируетсяматериал, по структуре схожий с костной тканью, в которой минеральные кристаллы заполняют все полости коллагеновой матрицы.
PAsp является полимером с полностью ионизирующимися в чистой воде (при pH=7) карбоксильными группами [5]. Благодаря этому PAsp может адсорбировать ионы из раствора минеральных солей в результате ион-ионных взаимодействий между минеральными ионами и заряженными боковыми группами. Кроме того, PAsp является биосовместимым и биодеградируемым полимером и поэтому является одним из претендентов на роль полимерного агента в минерализации. Для перечисленных выше целей могут использоваться и другие полиэлектролиты, например, полиакриловая (рис. 2а) и полиглутаминовая кислоты (PGA) (рис. 2б). Но благодаря биосовместимости и возможности синтеза в промышленных масштабах PAsp и PGA являются более подходящими полимерными агентами для синтеза костных имплантатов методом полимериндуцированной минерализации. В работе [6] было показано, что при минерализации с использованием PAsp и комбинаций PAsp с PGA минеральные вещества глубоко проникают в полости матрицы, что приводит к высокой степени минерализации синтезируемых композитов.
Для понимания процессов, происходящих при синтезе органоминерального композита, прежде всего, необходимо исследовать поведение полимерного агента в водном растворе кальций содержащих солей и в первую очередь влияние многовалентных ионов на его конформацию, что и является целью данной работы.
В работе [7], используя теоретические подходы, авторами было показано, что в растворах двухвалентной соли возможна полная компенсация заряда на цепи полиэлектролита, что приводит к уменьшению размеров макромолекулы за счет ослабления электростатического отталкивания между мономерами.
Существующие теоретические работы (например, [7,8]) позволяют описывать системы с низкими концентрациями соли, что не подходит для анализа исследуемых систем, поскольку при синтезе композиционных материалов биоимитационным методом используются высокие концентрации соли [9,4,6,10-12].
Процессы полимериндуцированной минерализации активно изучаются с использованием экспериментальных методов в течение последних пятнадцати лет [9,4,6,10-12]. Синтез композиционных материалов проводился с использованием различных полимерных агентов [6,10]. Методами рентгеноструктурного анализа [9,6,11,12], сканирующей и просвечивающей электронной [9,6,10-12], рамановской [10], световой и поляризационной оптической [10] микроскопии, а также с помощью термогравиметрического и дифференциального термического анализа [9,6,11] изучались формирующиеся композиционные материалы. Первоочередной задачей перечисленных работ являлось исследование структуры полученного композитного материала и выяснение условий, при которых минеральная фаза заполняет полости органической матрицы. Важно отметить, что существующие экспериментальные исследования дают в основном косвенную информацию о молекулярных механизмах минерализации. Изучить явления и эффекты, происходящие в системе в процессе образования органоминерального композита на молекулярном уровне, возможно, используя компьютерное моделирование.
Так, например, в работе [13] с помощью крупнозернистого моделирования, то есть моделирования с использованием моделей, в которых каждая движущаяся частица описывает группу атомов реальной молекулы, были исследованы системы с высокими концентрациями солей и определен общий характер влияния многовалентных ионов соли на конформацию и размеры полиэлектролитных молекул различной гибкости. Как видно из рис. 3, при низких концентрациях соли полугибкий полиэлектролит (к которому относится PAsp) характеризуется вытянутой конформацией, поскольку заряд на цепи полиэлектролита не скомпенсирован. При увеличении концентрации соли заряд на цепочке нейтрализуется противоионами, что обуславливает уменьшение ее размеров в результате ослабления электростатического отталкивания между мономерами. Последующее увеличение концентрации соли приводит к инверсии заряда, и, как следствие, к отталкиванию между мономерами и увеличению размеров полиэлектролита.
С использованием компьютерного моделирования методом полноатомной молекулярной динамики было проведено исследование влияния двухвалентной соли хлорида кальция на конформацию молекулы поли-а-Ь-аспарагиновой кислоты.
Показано, что при увеличении концентрации соли радиус инерции молекулы PAsp при низких концентрациях уменьшается, а при достижении инверсии заряда на цепочке увеличивается. Данные результаты хорошо согласуются с исследованиями полиэлектролитов в растворах многовалентных солей других авторов [14, 29].
Установлено, что при повышении концентрации соли изменяется распределение углов внутреннего вращения основной цепи. Увеличивается доля углов, отвечающих структуре левозакрученной а-спирали, которая практически отсутствует для системы с PAsp в воде.
Изменения конформации связаны с адсорбцией ионов кальция на молекулу PAsp и, в первую очередь, с образованием кальциевых мостиков между боковыми карбоксильными группами молекулы.
Показано, что время жизни контакта иона кальция с карбоксильной группой сопоставимо с временем моделирования. Для получения более корректных результатов необходимо либо проведение более длительного моделирования, либо дополнительная серия моделирований с различными стартовыми конфигурациями PAsp.
