САМООРГАНИЗАЦИЯ ДИ- И ТРИПЕПТИДА НА ОСНОВЕ ГЛИЦИНА В ПЛЕНКАХ ДО И ПОСЛЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПАРАМИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
|
Введение 5
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. Методы формирования наноструктур 7
1.1.1. Подход «сверху-вниз» 7
1.1.2. Подход «снизу-вверх». Самоорганизация 9
1.2. Наноструктуры и тонкие пленки на основе олигопептидов: методы
получения, методы исследования 10
1.3. Факторы, влияющие на формирование наноструктур на основе
олигопептидов 17
1.3.1. Влияние типа, количества и порядка следования аминокислотных
остатков, входящих в состав олигопептида 17
1.3.2. Влияние растворителя, из которого происходит кристаллизации
наноматериала 19
1.3.3. Влияние концентрации раствора 20
1.3.4. Влияние влажности 21
1.3.5. Влияние подложки 22
1.3.6. Влияние паров органических соединений 24
1.4. Полиморфизм глицина и его производных 25
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 28
2.1. Объекты исследования 28
2.2. Подготовка образцов 28
2.3. Методика насыщения парами органических соединений и воды 29
2.4. Атомно-силовая и электронная микроскопия 30
2.5. Рентгеновская дифрактометрия 31
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ 32
3.1. Пленки дипептида глицил-глицин 32
3.2. Пленки трипептида глицил-глицил-глицин 51
Заключение 61
Благодарности 63
Собственные публикации 64
Библиографический список: 66
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. Методы формирования наноструктур 7
1.1.1. Подход «сверху-вниз» 7
1.1.2. Подход «снизу-вверх». Самоорганизация 9
1.2. Наноструктуры и тонкие пленки на основе олигопептидов: методы
получения, методы исследования 10
1.3. Факторы, влияющие на формирование наноструктур на основе
олигопептидов 17
1.3.1. Влияние типа, количества и порядка следования аминокислотных
остатков, входящих в состав олигопептида 17
1.3.2. Влияние растворителя, из которого происходит кристаллизации
наноматериала 19
1.3.3. Влияние концентрации раствора 20
1.3.4. Влияние влажности 21
1.3.5. Влияние подложки 22
1.3.6. Влияние паров органических соединений 24
1.4. Полиморфизм глицина и его производных 25
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 28
2.1. Объекты исследования 28
2.2. Подготовка образцов 28
2.3. Методика насыщения парами органических соединений и воды 29
2.4. Атомно-силовая и электронная микроскопия 30
2.5. Рентгеновская дифрактометрия 31
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ 32
3.1. Пленки дипептида глицил-глицин 32
3.2. Пленки трипептида глицил-глицил-глицин 51
Заключение 61
Благодарности 63
Собственные публикации 64
Библиографический список: 66
Пептиды являются производными аминокислот, состоят из
аминокислотных остатков в количестве более 10, связанных пептидной связью. Если в молекулах пептидов от 2 до 10 аминокислотных остатков, то они называются олигопептидами. Короткоцепные олигопептиды содержат в своей структуре от 2 до 4 аминокислотных остатков.
Особенностью олигопептидов является их способность к самоорганизации с образованием различных наноструктур: наносферы, наностержни, нанотрубки, нанопузырьки и т. д. [1-4]. Внимание к материалам на основе короткоцепных олигопептидов обусловлено их уникальными физическими и физико-химическими свойствами, которые определяют их потенциальные преимущества для различных технологий [13]. Являясь производными аминокислот олигопептиды обладают биосовместимыми свойствами, которые и определяют их практическое применение [5].
В настоящее время активно проводятся исследования поверхности органических кристаллов в микро- и наномасштабе, поскольку поверхность кристалла может оказывать влияние на его физико-химические свойства [6]. Но с другой стороны, роль поверхностных молекул и кристаллов по физикохимическим свойствам органических молекулярных нанокристаллов плохо изучена. Такое исследование важно, как для развития теоретических знаний [7], так и для практического применения, например, для разработки новых лекарственных форм для фармацевтических препаратов [8].
Глицин - простейшая аминокислота, которая довольно хорошо исследована. Для порошка, растворов глицина и его кристаллов изучены сегнетоэлектрические и пьезоэлектрические [9], фармацевтические [10, 11] свойства. Глицин может образовывать три полиморфные модификации при
атмосферном давлении - а, в, у [12], и три полиморфные модификации при высоком давлении - 5, s и С - глицин [13, 14]. Следует заметить, что кристаллы ди- и трипептида на основе глицина, содержащие 2 и 3 аминокислотных остатка глицина соответственно, слабо изучены. Все исследования проведены для кристаллов, выращенных из растворов.
Совсем по-другому обстоят дела при формировании наноструктур в тонких пленках. В настоящее время активно развиваются исследования образования наноструктур на основе олигопептидов в тонких пленках за счет их самоорганизации. Методы атомно-силовой микроскопии (АСМ) очень хорошо подходят для этих целей. Атомно-силовой микроскоп позволяет получать истинно трехмерный рельеф исследуемой поверхности, при его использовании не требуется, чтобы образец проводил электричество. Кроме высокой разрешающей способности, нетребовательности к приготовлению образцов, методы АСМ являются к тому же методами неразрушающего контроля. Это дает возможность исследовать морфологию поверхности до и после взаимодействия с парами органических соединений, особенно с выходом на одно и то же место [15].
Исследования морфологии поверхности является актуальной задачей в связи с большим многообразием наноструктур, способных формироваться из олигопептидов. Цель настоящей работы состояла в разработке подходов к управляемой самоорганизации ди- и трипептида на основе глицина для получения на их основе органических наноструктур и кристаллов с заданной морфологией поверхности.
аминокислотных остатков в количестве более 10, связанных пептидной связью. Если в молекулах пептидов от 2 до 10 аминокислотных остатков, то они называются олигопептидами. Короткоцепные олигопептиды содержат в своей структуре от 2 до 4 аминокислотных остатков.
Особенностью олигопептидов является их способность к самоорганизации с образованием различных наноструктур: наносферы, наностержни, нанотрубки, нанопузырьки и т. д. [1-4]. Внимание к материалам на основе короткоцепных олигопептидов обусловлено их уникальными физическими и физико-химическими свойствами, которые определяют их потенциальные преимущества для различных технологий [13]. Являясь производными аминокислот олигопептиды обладают биосовместимыми свойствами, которые и определяют их практическое применение [5].
В настоящее время активно проводятся исследования поверхности органических кристаллов в микро- и наномасштабе, поскольку поверхность кристалла может оказывать влияние на его физико-химические свойства [6]. Но с другой стороны, роль поверхностных молекул и кристаллов по физикохимическим свойствам органических молекулярных нанокристаллов плохо изучена. Такое исследование важно, как для развития теоретических знаний [7], так и для практического применения, например, для разработки новых лекарственных форм для фармацевтических препаратов [8].
Глицин - простейшая аминокислота, которая довольно хорошо исследована. Для порошка, растворов глицина и его кристаллов изучены сегнетоэлектрические и пьезоэлектрические [9], фармацевтические [10, 11] свойства. Глицин может образовывать три полиморфные модификации при
атмосферном давлении - а, в, у [12], и три полиморфные модификации при высоком давлении - 5, s и С - глицин [13, 14]. Следует заметить, что кристаллы ди- и трипептида на основе глицина, содержащие 2 и 3 аминокислотных остатка глицина соответственно, слабо изучены. Все исследования проведены для кристаллов, выращенных из растворов.
Совсем по-другому обстоят дела при формировании наноструктур в тонких пленках. В настоящее время активно развиваются исследования образования наноструктур на основе олигопептидов в тонких пленках за счет их самоорганизации. Методы атомно-силовой микроскопии (АСМ) очень хорошо подходят для этих целей. Атомно-силовой микроскоп позволяет получать истинно трехмерный рельеф исследуемой поверхности, при его использовании не требуется, чтобы образец проводил электричество. Кроме высокой разрешающей способности, нетребовательности к приготовлению образцов, методы АСМ являются к тому же методами неразрушающего контроля. Это дает возможность исследовать морфологию поверхности до и после взаимодействия с парами органических соединений, особенно с выходом на одно и то же место [15].
Исследования морфологии поверхности является актуальной задачей в связи с большим многообразием наноструктур, способных формироваться из олигопептидов. Цель настоящей работы состояла в разработке подходов к управляемой самоорганизации ди- и трипептида на основе глицина для получения на их основе органических наноструктур и кристаллов с заданной морфологией поверхности.
В ходе выполнения работы методом атомно-силовой микроскопии исследована самоорганизация пленок ди- и трипептида на основе глицина, нанесенных на различные по свойствам подложки, под действием паров органических соединений. Установлено, что толщина пленок глицил-глицина и триглицина является важным фактором, определяющим возможность формирования на ее поверхности различных структур.
Подложка оказывает значительное влияние на морфологию начальной пленки дипептида. В случае гидрофобного ВОПГ на поверхности формируются аморфные пленки ди- и трипептида. На поверхности гидрофильной слюды формируется аморфная пленка дипептида, содержащая пирамидальные структуры. Для трипептида на слюде наблюдается формирование протяженных аморфных слоев. На поверхности гидрофильного монокристаллического кремния при самопроизвольном высыхании раствора ди- и трипептида формируются кристаллические структуры. Вероятно, кристаллическая структура подложки в этом случае способствует формированию кристаллов. Для получения аморфных пленок ди- и трипептида на поверхности кремния были разработаны специальные методики.
Установлено, что природа паров органических соединений и подложка, на которой сформированы пленки ди - и трипептида, оказывают значительное влияние на морфологию пленки. Слюда препятствует формированию на поверхности аморфной пленки GG структур под влиянием паров органических соединений, в отличие от ВОПГ и кремния. Такое сильное взаимодействие подложки и пленки дипептида могут преодолеть сильные протонодоноры (метанол, этанол) и протоноакцептор (пиридин). Слабый протонодонор хлороформ и слабый протоноакцептор ацетонитрил
61
способны инициировать изменение морфологии пленки GG, нанесенной только на ВОПГ и кремний. Для тонкой пленки GG, наоборот, наблюдалось формирование наноструктур на поверхности слюды. По-видимому, это связано с наличием на исходной пленке GG пирамидальных структур, которые и являлись основой для формирования кристаллов.
Структурирование аморфной пленки трипептида, нанесенной на гидрофобный ВОПГ, возможно при воздействии паров слабых протонодонора (дихлорметан) или протоноакцептора (бензол). При использовании в качестве подложек слюды, имеющей отрицательный заряд, или гидрофильного кремния указанные растворители влияния на пленку GGG не оказывают. По-другому обстоят дела с сильными протонодонорами (спирты) и протоноакцептором (пиридин). В этих случаях парам растворителей удается преодолеть силу взаимодействия пленки с подложкой, на поверхности пленки формируются наноструктуры.
Полученные результаты могут быть полезными для разработки методики управляемой самоорганизации короткоцепных олигопептидов под действием парообразных соединений.
Подложка оказывает значительное влияние на морфологию начальной пленки дипептида. В случае гидрофобного ВОПГ на поверхности формируются аморфные пленки ди- и трипептида. На поверхности гидрофильной слюды формируется аморфная пленка дипептида, содержащая пирамидальные структуры. Для трипептида на слюде наблюдается формирование протяженных аморфных слоев. На поверхности гидрофильного монокристаллического кремния при самопроизвольном высыхании раствора ди- и трипептида формируются кристаллические структуры. Вероятно, кристаллическая структура подложки в этом случае способствует формированию кристаллов. Для получения аморфных пленок ди- и трипептида на поверхности кремния были разработаны специальные методики.
Установлено, что природа паров органических соединений и подложка, на которой сформированы пленки ди - и трипептида, оказывают значительное влияние на морфологию пленки. Слюда препятствует формированию на поверхности аморфной пленки GG структур под влиянием паров органических соединений, в отличие от ВОПГ и кремния. Такое сильное взаимодействие подложки и пленки дипептида могут преодолеть сильные протонодоноры (метанол, этанол) и протоноакцептор (пиридин). Слабый протонодонор хлороформ и слабый протоноакцептор ацетонитрил
61
способны инициировать изменение морфологии пленки GG, нанесенной только на ВОПГ и кремний. Для тонкой пленки GG, наоборот, наблюдалось формирование наноструктур на поверхности слюды. По-видимому, это связано с наличием на исходной пленке GG пирамидальных структур, которые и являлись основой для формирования кристаллов.
Структурирование аморфной пленки трипептида, нанесенной на гидрофобный ВОПГ, возможно при воздействии паров слабых протонодонора (дихлорметан) или протоноакцептора (бензол). При использовании в качестве подложек слюды, имеющей отрицательный заряд, или гидрофильного кремния указанные растворители влияния на пленку GGG не оказывают. По-другому обстоят дела с сильными протонодонорами (спирты) и протоноакцептором (пиридин). В этих случаях парам растворителей удается преодолеть силу взаимодействия пленки с подложкой, на поверхности пленки формируются наноструктуры.
Полученные результаты могут быть полезными для разработки методики управляемой самоорганизации короткоцепных олигопептидов под действием парообразных соединений.