Физики МГУ смоделировали поведение полимеров, напоминающих пальмы
Сотрудники физического факультета МГУ предсказали, какой формы будут получаться частицы из полимеров, архитектура которых напоминает пальмы. Ученых интересовало, как будет меняться результат сборки таких полимеров-пальм в зависимости от строения молекул и свойств среды-растворителя. Исследование поможет получать полимерные частицы желаемой формы в реальном эксперименте, которые впоследствии могут служить наноконтейнерами для эффективной адресной доставки лекарств или основой для создания новых пористых материалов. Научная работа опубликована в журнале Journal of Colloid and Interface Science.
В работе моделировался процесс самосборки полимерных структур. Это значит, что из сотен отдельных «звеньев» (молекул-пальм), изначально плавающих в растворе, самостоятельно собирается структура определенной морфологии (формы). В результате могут получаться совершенно разные варианты: сферы, цилиндры, везикулы («пузырьки»). И чтобы полученная в эксперименте форма частиц не стала сюрпризом, ученые используют компьютерное моделирование для ее предсказания.
«Наш полимер состоял из отдельных “листьев” и “ствола” – полимерных цепей различного состава, сшитых химически в единую молекулу-пальму. Преимущество пальмовидных полимеров по сравнению с “обычными” линейными цепями состоит в том, что получаемые из них частицы будут обладать гораздо более однородными размерами. В компьютерной модели мы рассматривали ансамбли из нескольких сотен и даже тысяч таких молекул с разными длинами листьев и стволов, чтобы узнать, как будет меняться конечная форма полимерных частиц. Компьютерное моделирование позволяет изучать сложные молекулярные системы на мезоскопическом уровне (на уровне десятков и сотен нанометров) без дорогостоящих и сложных измерений. Поэтому полимеры, состоящие из тысяч атомов, являются подходящими системами для вычислительных экспериментов», – рассказал руководитель научной группы, профессор кафедры физики полимеров и кристаллов Игорь Потемкин.
Ученые выяснили, что из более разветвленных молекул-пальм (полимеров с большим числом «листьев») с большей вероятностью собираются частицы сферической формы. В то же время, характеристики частиц цилиндрической формы можно менять, изменяя одновременно длину стволов и листьев молекул. Возможность получения именно цилиндрических частиц интересна с точки зрения доставки лекарств, поскольку их движение в кровотоке должно быть более направленным по сравнению со сферическими частицами.
Важную роль в моделировании играет взаимодействие молекул с растворителем, в котором они «плавают». У пальмовидных полимеров ствол стремится избегать контакта с растворителем, а листья, наоборот, интенсивно с ним взаимодействуют. Такое поведение называется амфифильным и определяет характеристики процесса самосборки. Поэтому в процессе моделирования было также исследовано влияние разных растворов на получаемую форму частиц. Было установлено, что при ухудшении взаимодействия между стволом и растворителем форма частиц может переходить как от сферических в цилиндрических, так и от цилиндрических в везикулы.
Следующий шаг исследования – проверка результатов моделирования в эксперименте. Ученым интересно получить цилиндрические частицы и научиться изменять их размеры меняя параметры исходных молекул-пальм. Веществами-кандидатами для проверки гипотезы могут стать разветвленные полимеры на основе полипептидов (длинные цепи из аминокислот), которые ввиду своей биосовместимости отлично подойдут для создания лекарственных наноконтейнеров.