ВВЕДЕНИЕ 3
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 5
1.1 Основные положения теории самосогласованного поля 6
1.2 Моделирование солюбилизации в мицеллах блоксополимеров 8
2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 11
2.1 Выражения для энергии Гельмгольца 11
2.2 Переход к новым координатам 12
2.3 Минимизация энергии Гельмгольца 14
2.4 Методика расчета 16
3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 18
ВЫВОДЫ 43
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 45
ПРИЛОЖЕНИЕ 50
Диблоксополимерные агрегаты - типичный представитель систем так называемой Мягкой Материи (Soft Matter), к которой также относятся мицеллярные растворы классических поверхностно-активных веществ, полимерные и коллоидные гели, микроэмульсии, самоорганизованные мембраны, жидкие кристаллы и другие объекты, способные откликаться радикальной перестройкой мезомасштабной структуры на небольшое изменение условий или внешнее воздействие.
Системы такого типа весьма перспективны при разработке умных материалов для мицеллярной экстракции и катализа [1], для контролируемой доставки биопрепаратов, в косметике, биомедицине, пищевой отрасли и др. [2,3], поскольку они способны обратимо солюбилизировать и высвобождать биомолекулы, реагируя на слабые изменения внешних условий.
В последние годы интенсивно возрастает количество публикаций, посвященных экспериментальному исследованию и компьютерному моделированию распределения биокомпонентов между мицеллярными агрегатами и окружающим раствором [4-7]. Важнейшей задачей является теоретическое описание такого распределения, его прогнозирование, исходя из молекулярных характеристик агрегатов и компонентов раствора. Однако развитие теории в указанном направлении заметно отстает. Так, со времени формулировки Нагаражаном модели солюбилизации гидрофобного компонента в ядрах мицелл классических поверхностно-активных веществ [8], насколько нам известно, детальное теоретическое описание проведено лишь в недавней работе голландских авторов [9], в которой решеточный вариант теории самосогласованного поля Схойтенса-Флеера опробован при моделировании распределения ряда веществ, имитирующих лекарственные препараты, как в ядрах, так и в коронах диблоксополимерных мицелл поли(этиленоксид)-блок-поли-е- капролактона.
Большинство лекарственных препаратов гидрофобно и преимущественно солюбилизируется в мицеллярных ядрах. Однако, благодаря наличию полярных или ионных групп, ряд биокомпонентов способен концентрироваться и в мицеллярной короне вследствие сильных взаимодействий с ее фрагментами. Это весьма существенно, поскольку благоприятно сказывается на кинетике процесса при высвобождении биокомпонента [10,11].
Цель настоящей работы - развитие теории для описания распределения компонентов многокомпонентоного раствора между гидрофильной короной неионной диблоксополимерной мицеллы и ее окружением. В основу подхода положен аппарат среднеполевой теории самосогласованного поля, хорошо разработанный в трудах Санкт-Петербургской школы (Бирштейн Т.М., Борисов О., Жулина Е. и др.) для описания неионных полимерных щеток и диблоксополимерных агрегатов в однокомпонентном растворителе, а также полиэлектролитных агрегатов в водно- солевых растворах [12,13].
В качестве первой и наиболее простой версии теории в настоящей работе развит подход, в котором ядро мицеллы содержит лишь гидрофобные цепи диблоксополимера и имеет фиксированный размер, а компоненты растворителя распределяются только между короной агрегата и его окружением. Такая модель отвечает диблоксополимерным мицеллам с застеклованными ядрами, либо гидрофильным полимерным щеткам, привитым к частицам латекса.
В настоящей работе был разработан метод описания распределения компонентов многокомпонентного раствора между короной неионной диблоксополимерной мицеллы и ее окружением.
1. Среднеполевая теория самосогласованного поля распространена на многокомпонентный неатермический растворитель, содержащий добавки биокомпонента. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для проведения расчетов равновесных профилей концентрации компонентов системы в короне диблоксополимерной мицеллы.
2. Изучено влияние следующих молекулярных характеристик компонентов системы на равновесные профили объемных долей биокомпонента в полимерной короне: число сегментов в молекулах биокомпонента и полимера, величина параметров взаимодействия Флори-Хаггинса, радиус ядра мицеллы, «густота» цепей в короне (характеризующаяся площадью прививки к ядру).
3. Подробно рассмотрен случай специфического взаимодействия биокомпонента с полимером. Наличие такого взаимодействия отражается немонотонностью профиля объемной доли биокомпонента в мицеллярной короне, наличием максимума. Указанный эффект выражен наиболее сильно, когда размер молекул биокомпонента в несколько раз превосходит размер молекул растворителя.
4. Модельные расчеты показали, что возможно подобрать такое сочетание молекулярных параметров системы, когда биокомпонент внутри агрегата концентрируется вблизи границы мицеллярной короны, где его локальная концентрация существенно превышает концентрацию в объеме раствора. Этому способствует специфическое взаимодействие между полимером и биокомпонентом, гидрофобность и большой размер молекул последнего. Указанные особенности весьма важны при подборе системы для контролируемого высвобождения биопрепаратов.
5. Результаты моделирования сопоставлены с полученными в работе [9] на основе решеточной модели Схойтьенса-Флеера для мицелл поли(этиленоксид)-блок- поли-е-капролактон (англ. PEO-b-PCL) в растворах с добавками, имитирующими биокомпонент. Установлено качественное сходство полученных профилей объемных долей биокомпонента в мицеллярной короне.
6. Рассчитанные радиусы мицелл для ряда систем сопоставлены с экспериментально измеренными гидродинамическими радиусами [9]. Предсказанные по модели значения близки к экспериментальным.
7. Настоящая модель может быть распространена на самоорганизующиеся агрегаты с незастеклованными ядрами. Описание таких систем является одной из перспектив дальнейшего развития разработанного подхода.
