ОКРУГИН Борис Михайлович Молекулярные свойства и

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«САНКТ- ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
На правах рукописи
ОКРУГИН
Борис Михайлович
Молекулярные свойства и компьютерное моделирование
полимеров на основе биомономеров
Специальность 02.00.06 – Высокомолекулярные соединения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург
2016
2
Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук, доцент,
доцент кафедры молекулярной биофизики и
физики полимеров Санкт-Петербургского
Государственного университета
Евлампиева Наталья Петровна
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук,
зам. директора ИВС РАН по научной работе,
заведующий лабораторией № 10
ФГБУН «Институт высокомолекулярных
соединений» Российской академии наук
Паутов Владимир Дмитриевич
кандидат физико-математических наук,
ведущий научный сотрудник ФГБУН «Физикотехнический институт им. А.Ф. Иоффе
Российской академии наук
Мясникова Любовь Петровна
Ведущая организация:
Федеральное государственное
бюджетное учреждение «Петербургский
институт ядерной физики
им. Б.П. Константинова»
Защита диссертации состоится «
» марта 2016 года в 11.00 часов на заседании
диссертационного совета Д.212.232.33 по защите докторских и кандидатских диссертаций,
созданного на базе Санкт-Петербургского государственного университета, по адресу:
198504, г. Санкт-Петербург, ул. Ульяновская, д. 1, физический факультет СПбГУ, малый
конфренц-зал. Отзывы на автореферат просьба направлять по адресу: 198504, СанктПетербург, Петродворец, Ульяновская ул. д. 1, ученому секретарю диссертационного
совета 212.232.33 А.М. Поляничко.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М.Горького СПбГУ и
на сайте Санкт-Петербургского государственного университета spbu.ru
автореферат диссертации разослан «
» января 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.232.33
к.ф.-м. н., доцент
Поляничко А.М.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Синтетические и химически модифицированные природные
полимеры занимают важное место в промышленных биотехнологиях, в фармакологии и
медицине. Использование водорастворимых синтетических полимеров, таких как
полиэтиленоксид, поливинилпирролидон, поливиниламид, поливиниловый спирт, стало
обычным в современном производстве
лекарственных форм. Биосовместимые,
неканцерогенные, нетоксичные и биодеградируемые полимеры выполняют различные
функции
в
составе
комплексов
с
биологически
активными
низкои
высокомолекулярными веществами при их введении в организм. Помимо исполнения
функции носителя, они могут пролонгировать действие лекарственных веществ,
повышать или замедлять их растворимость, снижать токсичность, усиливать
терапевтическое воздействие. Одним из актуальных направлений в данной области
является поиск новых биосовместимых высокомолекулярных носителей для целевой
доставки биологически активных веществ к определенному органу живого организма.
Создание таких полимеров-носителей требует детального знания их молекулярных
свойств в водных растворах. Для этого синтезируются и изучаются новые линейные и
разветвленные полимеры и сополимеры, несущие определенные типы необходимых для
систем доставки функциональных групп. Изучение молекулярных свойств вновь
синтезируемых или химически модифицированных известных полимеров актуально для
современной фармакологии, медицины и биотехнологий. Диссертационная работа
посвящена изучению гидродинамических свойств
высокомолекулярных объектов,
мономерными единицами которых являются биосовместимые
соединения
(биомономеры), что придает биосовместимость и их полимерной форме. Объектами
изучения являлись новые водорастворимые производные полисахарида хитозана,
поливинилсахарида поли(2-деокси-2-метакриламидо-D-глюкозы) и разветвленного
полилизина, относящегося к
классу синтетических полиаминокислот.
Эти
высокомолекулярные соединения в последние годы привлекли к себе внимание в
качестве перспективных
для биомедицинских и фармакологических применений.
Сведения об их конформационных и гидродинамических свойствах в водных средах пока
малочисленны и не систематизированы,
поэтому получение информации о
трансляционной подвижности, жесткости цепи, размерах макромолекул и об изменении
их свойств в зависимости от рН и ионной силы растворителя является важным и
актуальным и связано c
высокой потенциальной возможностью практического
использования этих полимеров.
Цель работы состояла в изучении гидродинамических и конформационных свойств
молекул новых типов полимеров на основе биомономеров методами гидродинамики и
анализе этих свойств с применением компьютерного моделирования.
В качестве экспериментальных методов в работе были использованы вискозиметрия,
статическое и динамическое светорассеяние, поступательная изотермическая диффузия,
рефрактометрия, рН-метрия и спектрофотометрия. Компьютерное моделирование, в
4
основном, производилось методом молекулярной динамики в рамках программы
GROMACS и полуэмпирическими методами в рамках программы HYPERCHEM.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1.
Впервые исследованы гидродинамические свойства гомологических рядов
сополимеров (2-деокси-2-метакриламидо-D-глюкозы) с акриловой и метакриловой
кислотами состава 80:20. Получены скейлинговые соотношения, связывающие
гидродинамические характеристики
макромолекул с молекулярной массой
для
сополимеров
и гомополимера
в
одном растворителе. Отмечено изменение
взаимодействия в системе полимер-растворитель вследствие присутствия звеньев
акриловой или метакриловой кислот в цепи поливинилсахарида.
2.
На примере хитозана изучено влияние кватернизации на конформацию цепи и
гидродинамические свойства полисахарида. Установлено, что введение заряженных
четвертичных аминогрупп в боковые заместители хитозана влияет на взаимодействие
полимер-растворитель, но практически не сказывается на равновесной жесткости цепи.
Показано, что скейлинговые соотношения для исходного полисахарида и его
кватернизованного аналога в одном растворителе существенно отличаются.
3.
Разработана методика моделирования различных генераций дедриграфтов поли-Lлизина и показана адекватность предложенного подхода для предсказания
гидродинамического поведения дендриграфтов в водно-солевых растворах.
Практическая значимость работы связана с изучением влияния используемых в
настоящее время способов модификации химической структуры биосовместимых
полимеров на конформационные и гидродинамические свойства и зависимости их
молекулярных характеристик в растворах от степени полимеризации. В работе получены
важные для практического применения скейлинговые соотношения, связывающие
гидродинамические параметры молекул исследованных полимеров с их молекулярной
массой. Исследованы новые производные известных биополимеров - хитозана и
полилизина. Получены новые данные о соотношениях «структура-свойства» для
производных указанных биополимеров, расширяющие возможности их применения.
Изучены
гидродинамические и конформационные характеристики нового
перспективного для применения в биотехнологиях биосовместимого поливинилсахарида
поли(2-деокси-2-метакриламидо-D-глюкозы) и его сополимеров с непредельными
кислотами.
Результаты
работы могут быть использованы в фармакологии и
биотехнологиях как для создания систем доставки на основе изученных полимеров, так и
для их дальнейшей целевой модификации. Полученные в работе результаты также
представляют интерес с точки зрения фундаментальных исследований свойств полимеров
в растворах и могут быть включены в базовые курсы университетов по специальности
«Высокомолекулярные соединения» и курсы, посвященные применению полимеров в
медицине и фармакологии.
5
На защиту выносятся следующие положения:
1.
Основная цепь поливинилсахарида поли(2-деокси-2-метакриламидо-D-глюкозы)
(ПМАГ) при ковалентном введении в нее 20% звеньев акриловой (АК) или метакриловой
(МАК) кислоты сохраняет свои конформационные свойства, равновесная жесткость цепей
сополимеров и гомополимера близка по величине. При этом гидродинамические свойства
ПМАГ и сополимеров МАГ-МАК/МАГ-АК в одном и том же растворителе при
одинаковой температуре отличаются по причине неидентичности термодинамических
условий для их макромолекул.
2.
Введение несущей постоянный заряд четвертичной аминогруппы в боковые
заместителя мономерного звена хитозана не приводит к изменению жесткости цепи
полисахарида. В растворителе, подавляющем полиэлектролитный эффект – 0.33М
СН3СООН+0.2М СН3СООNa (рН 3.54), гидродинамические свойства молекул
кватернизованного и исходного хитозанов существенно различаются вследствие
неодинакового для них термодинамического качества растворителя. Растворитель с такой
же ионной силой и нейтральным значением рН – 0.2М NaCl не полностью подавляет
полиэлектролитные свойства кватернизованного хитозана.
3. Моделирование гидродинамического поведения молекул дендриграфтов полилизина в
водно-солевой среде методом молекулярной динамики в рамках предложенного в работе
подхода позволяет получать
результаты, хорошо коррелирующие с данными
эксперимента.
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 8
российских и международных конференциях.
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в российских и
зарубежных журналах.
Личный вклад автора заключался в проведении экспериментальных исследований
методами вискозиметрии, рефрактометрии, рН-метрии, денситометрии, абсорбционной
спектроскопии, обработке данных статического и динамического светорассеяния,
проведении компьютерного моделирования, а также в подготовке докладов и статей.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, литературного обзора
(раздел 1), экспериментальной части (раздел 2), трех разделов (3-5), где обсуждаются
результаты исследований, заключения,
выводов и списка
литературы (187
наименований). Работа изложена на 125 страницах, содержит 32 рисунка и 6 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение дает представление об актуальности темы диссертационной работы, объектах
исследования, включает формулировку цели работы, основных положений, выносимых на
защиту, определяет ее научную новизну и практическую значимость.
Раздел 1 содержит краткий обзор современных публикаций, посвященных исследованию
и применению различных производных хитозана, поливинилсахаридов и полилизина. На
основе литературных данных обсуждаются возможные подходы для квантово-
6
химического моделирования разветвленных макромолекул, в том числе полилизинов. В
разделе также изложены основные теоретические представления, применяющиеся для
анализа конформационных свойств нейтральных и заряженных полимеров в растворах.
Раздел 2 посвящен описанию использованных в работе экспериментальных методов и их
базовых физических обоснований. Он имеет подразделы, где описаны конкретные
установки и приборы, применявшиеся для выполнения работы, и подраздел, дающий
представление об основных методах компьютерного моделирования полимеров и
фрагментов их цепей.
Раздел 3. Конформационные и гидродинамические свойства сополимеров 2-деокси-2метакриламидо-D-глюкозы с акриловой и метакриловой кислотами.
Задачей этой части работы было сравнительное исследование гомополимера 2-деокси-2метакриламидо-D-глюкозы (МАГ) и сополимеров МАГ-АК (акриловая кислота) / МАГМАК (метакриловая кислота) при содержании звеньев кислоты 20 мол. %, а также
сопоставление гидродинамических и конформационных свойств цепей гомополимера и
сополимеров.
Гомополимер
МАГ
не
является
полиэлектролитом.
Свободнорадикальная
полимеризация мономера нейтрального полимера с
непредельными кислотами является одним из широко
применяемых способов модификации полимеров для
биомедицинских целей, что дает возможность ввести
необходимое количество функциональных групп в его
состав. Акриловая и метакриловая кислоты довольно
часто применяются для подобных модификаций.
Гомологические серии образцов ПМАГ, МАГ-АК и
МАГ-МАК были синтезированы под руководством к.х.-н. Назаровой О.В. (Лаборатория гидрофильных
1.
Химическая
полимеров, ИВС РАН, Санкт-Петербург). Определение Рис.
сополимеров
молекулярных
характеристик
сополимеров
и структура
гомополимера проводили при 298 К в 0.2 М NaCl МАГ-АК и МАГ-МАК. При
методами
вискозиметрии,
поступательной m=0 структура соответствует
изотермической
диффузии,
статического
и гомополимеру МАГ (ПМАГ).
динамического светорассеяния. Полученные значения средневесовой молекулярной массы Mw, коэффициента поступательной диффузии
D0=limc→0D, характеристической вязкости [η]= limc→o = (ηуд/с), инкремента показателя
преломления dn/dc, гидродинамического радиуса Rh = (kT/6πη0D0) (k – постоянная
Больцмана, Т– абсолютная температура, η0 – вязкость растворителя), гидродинамического
инварианта A0 (см. формулу (1)) и второго вириального коэффициента A2 приведены для
ПМАГ в табл.1 и для сополимеров в табл. 2.
7
Рис. 2. Диаграмма Зимма для образца
7 сополимера МАГ–МАК (см. табл.
2) в 0.2 М NaCl. Данные статического
светорассеяния
получены
при
концентрациях растворов от 1 до 0.09
× 10–2 г/см3 и углах рассеяния от 140°
до 50°.
-2
3
(ηуд/c) x10 , см г
-1
Рис.
1
3.
зависимость величины приведенной
0.6
вязкости
0.4
при
4
0.2
5
0.5
1.0
ηуд/c
для
образцов
сополимера МАГ-АК в 0.2М NaCl
2
3
0.0
Концентрационная
1.5
2.0
2
прямых
табл. 2.
3.0
c x10 , г см
Номера
соответствуют номерам образцов в
6
2.5
298К.
-3
Рис.
4.
Концентрационная
зависимость
коэффициента
диффузии D молекул сополимеров
МАГ–МАК.
Номера
прямых
соответствуют номерам образцов в
табл. 2.
Образец
Таблица 1. Гидродинамические свойства гомополимера МАГ в 0.2М NaCl при 298 К.
Mw × 10–3
[η],
Do × 107,
dn/dc,
Rh × 108,
см3/г
см2/с
см3/г
см
Ao* × 1010
1
700 ± 30
60.4 ± 0.3
1.4 ± 0.1
0.149
170 ± 10
3.2
1.8 ± 0.5
2
520
40.0
1.9
-
130
3.4
-
3
400
25.0
2.4
0.148
100
3.4
2.5 ± 0.5
4
370
23.0
2.6
-
90
3.4
1.5 ± 0.2
5
280
18.5
3.0
0.155
80
3.4
2.6 ± 0.7
6
90
13.0
5.0
-
49
* Среднее значение Ао для данного гомологического ряда равно (3.4 ± 0.1) × 10
A2 × 104,
моль
см3/г2
3.4
–10
2
2
г см /(с град моль1/3).
8
Среднее значение гидродинамического инварианта A0, который
является мерой
адекватности полученных разными экспериментальными методами гидродинамических
характеристик макромолекул, для большинства гибкоцепных полимеров соответствует
(3.2 ±0.2) × 10-10 г/см2 с2 град моль1/3.
A0= (M[η]/100)1/3(D0η0/T)
(1)
Как следует из табл. 1 и табл.2, полученные для ПМАГ и сополимеров значения А0 в
пределах погрешности близки к типичному для гибкоцепных полимеров.
Образец
Таблица 2. Гидродинамические свойства сополимеров МАГ с акриловой и метакриловой
кислотами в 0.2 М NaCl при 298 К.
Содержание
Mw×10–3
кислоты
мол. %
[η],
Do×107,
dn/dc,
Rh×108,
см3/г
см2/с
см3/г
см
Ao*×
1010
A2×104,
моль см3/г2
Сополимеры МАГ-АК
1
18.7
800 ± 50
52 ± 1
1.3 ± 0.2
0.165
187
3.0
2.3 ± 0.4
2
22.3
480 ± 20
36 ± 1
1.9
0.159
128
3.2
2.0 ± 0.2
3
17.5
350 ± 20
27 ± 1
2.3
-
105
3.2
-
4
17.7
250 ± 25
17 ± 0.5
2.6
-
93
2.8
1.8 ± 0.3
5
19.5
100 ± 10
9.0 ± 0.5
4.9
0.155
50
3.1
-
6
16.8
40 ± 8
4.3 ± 0.5
9.0 ± 0.3**
-
27
3.3
-
Сополимеры МАГ-МАК
7
15.9
740 ± 20
49 ± 1
1.3 ± 0.1
0.170
187
2.8
1.6 ± 0.3
8
21.7
450 ± 30
32
2.2 ± 0.2
0.178
110
3.4
-
9
18.2
240 ± 20
22
2.9 ± 0.2
-
84
3.3
1.7 ± 0.3
10
19.8
100 ± 15
12
5.0 ± 0.5
0.167
49
3.4
1.0 ± 0.5
* Среднее значение Ао для сополимера МАГ–АК равно (3.1 ± 0.1) × 10
–10
2
2
г см /(с град моль1/3),
для сополимера МАГ–МАК – (3.2 ± 0.2) × 10–10 г см2/(с2 град моль1/3).
** Определено методом поступательной изотермической диффузии.
Оценка равновесной жесткости ПМАГ, МАГ-АК и МАГ-МАК показала, что они
действительно являются гибкоцепными полимерами. Это было получено
с
использованием соотношения (2) теории Грея-Блюмфильда-Хирста.
! " Ф#
[ƞ]
&
'
=
'
&)* (')*)
(./0) "
!-
1(.30) "
𝑀(&)*)
5
+
!- 7#
'8
𝑙𝑛
1
;
−
;
'1
− 𝜑(𝜀) ,
(2)
где Ф0 – постоянная Флори, ML– молекулярная масса, приходящаяся на единицу длины
цепи, А – длина сегмента Куна,d - диаметр полимерной цепи, P0 = 5.11 - параметр Флори,
ε - параметр гидродинамического взаимодействия, 𝜑(𝜀) = 1.431+2.635ε+4.709ε2+….
9
Величину ML определяли, моделируя достаточно протяженные фрагменты молекул
сополимеров с использованием Accelrys Materials Studio и оптимизируя их в вакууме при
помощи пакета программ Discovery для усреднения возможных способов включения
звеньев АК/МАК в цепь ПМАГ. Параметр ε вычисляли, согласно соотношению (3), где а
и b – показатели степени в соотношениях Марка-Куна-Хаувинка для [η] и D0 (см. далее
соотношения (4)).
𝜀=
5а)&
'
= 2 𝑏 − 1,
(3)
2
1/3
-3
(M /[η]) x10
Из построения, представленного на Рис. 5 и
соответствующего соотношению (2), для МАГ-АК
1
2.0
2
и МАГ-МАК было получено: А = (19±2) × 10-8 см и
3
d = (10±1) × 10-8 см. Для ПМАГ значение 1.5
гидродинамического поперечника цепи было таким
1.0
же, а длина сегмента Куна составила А = (20±2) ×
10-8 см. Следовательно, равновесная жесткость 0.5
цепей ПМАГ и сополимеров МАГ-АК и МАГ-МАК
0
2
4
6
8
10
близка по величине, т.е. присутствие статистически
(1-ε)/2
-2
M
x10
распределенных
звеньев
акриловой
или Рис. 5. Зависимость (M2/[η])1/3 от
метакриловой кислоты практически не изменяет
М(1-ε)/2 для гомологических рядов
корреляционных
взаимодействий
в
цепи,
ПМАГ (1) и сополимеров МАГ–
свойственных гомополимеру. Анализ полученных
соотношений Марка-Куна-Хаувинка (М-К-Х) (см. АК (2) и МАГ– МАК (3).
(4))
для
исследованных
рядов
полимеров
показывает, что термодинамические условия в 0.2М NaCl при 298 К для них могут
отличаться, причем, сополимер МАГ-МАК более подобен гомополимеру, чем МАГ-АК.
ПМАГ
Сополимер МАГ-АК
Сополимер МАГ-МАК
[η] = 3.80 × 10–3M0.70
[η] = 0.56 ×10–3M0.85
[η] = 2.17 × 10–3M0.69
D0 = 0.45 × 10–3M–0.59
D0 = 0.80 × 10–3M–0.64
D0 = 0.84 × 10–3M–0.64
(4)
Сравнение вторых вириальных коэффициентов А2 для сополимеров (табл.2)
свидетельствует о том, что 0.2М NaCl может быть несколько лучшим в
термодинамическом смысле растворителем для МАГ-АК, чем для МАГ-МАК, следствием
чего является повышенный показатель степени в его соотношении М-К-Х для
характеристической вязкости (см. (4)).
10
Раздел 4. Кватернизованный и немодифицированный хитозан: гидродинамические
свойства посвящен сопоставлению молекулярных свойств хитозана и его производного –
N-[(2-гидрокси-3-триметиламмоний)пропил]хитозана (ГТПХ) (Рис. 6).
ГТПХ
Хитозан
Рис. 6. Химическая структура хитозана и его кватернизованного аналога – ГТПХ.
Амино-полисахарид хитозан является производным хитина – второго (после целлюлозы)
по распространенности в природе полисахарида. В связи с высокой практической
значимостью хитозан и его производные активно изучаются. К числу таких производных
можно отнести хитозаны, модифицированные четвертичными амино-группами
(кватернизованные хитозаны). Модификация такого типа уменьшает сильную
зависимость растворимости хитозана от рН среды и придает производным новые
свойства.
Две серии гомологов хитозана и ГТПХ (7 и 6 образцов, соответственно) были
синтезированы к.-х.-н. Горшковой М.Ю. (Институт нефтехимического синтеза РАН),
причем образцы серии хитозана были исходными для получения ГТПХ. Сравнительные
исследования проводили в традиционном для хитозана растворителе – 0.33М
CH3COOH+0.2M CH3COONa, полностью экранирующим его протонирующиеся в кислой
среде амино-группы. Полученные гидродинамические характеристики образцов
приведены в табл. 3. Молекулярную массу образцов ГТПХ определяли двумя методами –
методом статического светорассеяния (Мw) и диффузионно-вискозиметрическим
анализом (MDη). Вычисляли MDη, используя соотношение (5) и экспериментальные
значения, входящих в него коэффициентов поступательной диффузии D0,
характеристической вязкости [η] и гидродинамического инварианта, который принимали
соответствующим хитозану А0 = (3.66±0.06) ×10−10 г см2с −2град−1моль -1/3 (табл. 3).
MDη=(А0Т/η0D0)3 100/[η]
(5)
При сравнении пар образцов хитозан/ГТПХ с одинаковой степенью полимеризации
Р=М/М0 (здесь М0 – молекулярная масса мономерного звена) сразу видно отличие их [η].
Так, значения [η] для образцов ГТПХ-1, 4, 6, 7 в несколько раз меньше, чем у образцов
хитозана 1, 4, 6, 7 (табл.3).
11
Таблица 3. Гидродинамические свойства хитозана и ГТПХ в 0.33М CH3COOH+ 0.2M
CH3COONa при 298К.
Образец
Мw×10−3,
P
г/моль
[η]×10−2,
см3/г
Хитозан
4,0±0,1 0,33
3,2
0,35
2,5
0,38
2
0,35
0,78±0,05 0,33
9,7±0,1
0,3
2,7
0,34
ГТПХ
1,6
0,42
1,2
0,4
0,56±0,05 0,34
0,33
0,35
1
2
3
4
5
6*
7*
100±10
60±5
50±5
40±5
20±3
200±20
45±5
600
360
300
240
120
1100
280
ГТПХ-1
ГТПХ-4
ГТПХ-5
ГТПХ-5'а
200±20
80±10
40±5
20±5
660/500c
260/280
130/120
70/70
ГТПХ-6b
500±20
1600/1300
4,0±0,1
80±5
270/250
1,2
b
ГТПХ-7
k'
Do×107,
см2/с
10
Ao×10
МDη×10−3,
г/моль
1,3±0,1
1,7
2
2,3
3,9
0,7
2
3,73±0,06
3,61
3,69
3,65
3,6
3,4
3,86
-
1,5±0,1
2
3,5
5
-
152
86
35
20
0,4
0,8
-
400
0,39
2,1
-
75
a
ГТПХ-5’ был получен дополнительной деполимеризацией образца ГТПХ-5;
b
степень деацетилирования образцов ГТПХ-6 и ГТПХ-7 составляла 82%, у остальных образцов
ГТПХ она составляла (90±5)%;
c
рассчитано для двух значений молекулярной массы МwиMDη.
Рис. 7. Зависимость гидродинамического радиуса Rh от
логарифма
степени
полимеризации Р для серии
образцов хитозана (а) и серии
образцов ГТПХ(b).
Рис. 8. Зависимость D0M / RT от
𝑀
&
5
для гомологических рядов
хитозана и ГТПХ в 0.33М
CH3COOH+0.2M
CH3COONa.
Для данного построения были
использованы Мw.
12
Рис. 7 демонстрирует отличие в гидродинамических размерах молекул ГТПХ и хитозана.
Для выяснения причин таких отличий, противоречащих структурным изменениям
при модификации хитозана, было проведено сопоставление жесткости цепей и оценены
термодинамические условия для ГТПХ и хитозана в 0.33М CH3COOH+0.2M CH3COONa.
Применение построения (6) теории поступательного трения макромолекул, моделируемых
частично проницаемой персистентной цепью, приведенного на Рис.8, показало, что в
рамках одной модели длина сегмента Куна А для ГТПХ оценивается величиной (160±20)
Å, которая в пределах погрешности не отличается от хитозана.
𝐷E 𝑀
1
=
𝑅𝑇
𝑃∞ 𝑁1 𝜂E
𝑀K
𝐴
.
"
𝑀&/5 +
𝑀K
3𝜋𝑁1 𝜂E
ln
𝐴
−𝑄 ,
𝑑
здесь R –
универсальная газовая постоянная, NA– число Авогадро,
гидродинамический поперечник цепи, Q = 1.056 –численный параметр теории.
(6)
d
–
ML – молекулярную массу, приходящаяся на единицу длины цепи определяли
моделированием декамеров хитозана и ГТПХ в водно-солевой среде в рамках программы
GROMACS. Было установлено, что существенных конформационных изменений при
переходе от структуры хитозана к структуре ГТПХ быть не может. И, следовательно, за
различное гидродинамическое поведение полимеров ответственны термодинамические
условия. Это подтвердило определение второго вириального коэффициента А2 по данным
статического светорассеяния. Полученное среднее значение А2 = (1,1 ± 0.1)х10-3 см3 / (г
моль) для образцов хитозана в 0.33М CH3COOH+0.2M CH3COONa, хорошо
соответствующее литературным данным, оказалось почти на порядок больше, чем для
ГТПХ, для которого А2 = (0,5 ± 0,1)х10-4 см3 / (г моль). Такое изменение А2 может быть
следствием
ухудшения
термодинамического
качества
растворителя
для
модифицированного хитозана в 0.33М CH3COOH+0.2M CH3COONa в сравнении с
исходным полисахаридом. Определение соотношений М-К-Х (см. (7)), приведенных
ниже, подтвердило это заключение.
[η] = (5.0±0.1) x 10-3M0.99±0.09
Do= (4.9±0.1) x 10-4 M-0.70±0.06
Хитозан
[η]= (29±1) x 10-3M0.7±0.1
Do= (10.0±0.5) x 10-4M-0.54±0.06
ГТПХ
(7)
Известно, что 0.33М CH3COOH+0.2M CH3COONa является для хитозана
термодинамически хорошим растворителем. Для его модифицированного аналога – ГТПХ
термодинамическое качество того же растворителя ухудшается, что отражается на
изменении показателя степени в соотношении (7) для его характеристической вязкости.
13
В отличие от хитозана ГТПХ растворяется в воде при нейтральном рН, но при изучении
гидродинамического поведения его молекул в растворителе с такой же ионной силой, как
и 0.33М CH3COOH+0.2M CH3COONa, но нейтральным рН, – в 0.2М NaCl были выявлены
особенности, свидетельствующие о неполном подавлении полиэлектролитного эффекта
этим растворителем. Измерение рН раствора
ГТПХ в 0.2М NaCl при его
последовательном разбавлении тем же растворителем показало уменьшение значения рН,
чего не наблюдалось для образцов ГТПХ в 0.33М CH3COOH+0.2M CH3COONa (Рис.9).
ГТПХ имеет полосу поглощения вблизи видимой области спектра, которой нет у
хитозана. При разбавлении растворов ГТПХ в 0.2 М NaCl, начиная с некоторой
концентрации, наблюдался сдвиг максимума поглощения в сторону меньших длин волн.
Полиэлектролитное разворачивание молекул ГТПХ в 0.2 М NaCl происходит в области
концентраций (0.1-0.2) х10-2 г/см3, которые были определены из спектров поглощения
растворов (Рис.10). В этой же области концентраций для образцов ГТПХ наблюдается
возрастание вязкости раствора, также свидетельствующее о полиэлектролитном
разворачивании молекул.
8
(b)
7
Рис. 9. Изменение pH растворов
образца ГТПХ-1 в 0.2М NaCl (б)
и в 0.33М
CH3COOH+0.2M
CH3COONa
(а)
при
последовательном разбавлении.
pH
6
5
4
(a)
3
0.2
0.4
0.6
0.8
2
cx10 , г см
-3
Рис. 10. Спектр поглощения
ГТПХ-6 в 0.2 М NaCl при
различных концентрациях (a) и
концентрационная
зависимость
положения максимума спектра
поглощения
для
ГТПХ-6
(М=500.000)
и
ГТПХ
-7
(М=80.000) (б).
14
Раздел 5. Дендриграфты полилизина: молекулярные особенности и компьютерное
моделирование. Лизин – одна из самых распространенных аминокислот, поэтому
полимерные производные лизина имеют широчайшее применение в современных
биотехнологиях, и, в частности, в фармакологии, медицине и косметологии. В данной
части работы были исследованы полилизины новой макромолекулярной архитектуры –
дендриграфты, синтез которых был предложен относительно недавно. Особенностью их
является последовательное графтирование остатками лизина заранее синтезированного
«ядра» – линейной цепочки из 8 мономеров лизина (Рис.11). Образцы для исследования
были предоставлены фирмой COLCOM (Montpellier,
France) и использовались без дополнительной очистки.
Результаты экспериментального исследования четырех
генераций
дендриграфтов поли-L-лизина (ДПЛ)
методами гидродинамики позволили заключить, что в
отличие от дендримеров, имеющих точечный центр
ветвления, молекулы ДПЛ сильно (в разы) изменяют
свои размеры Rh при смене растворителя, хотя для них
R~ M0.32-0.35, как и для дендримеров регулярной
структуры.
Выявленные особенности
поведения
молекул ДПЛ в растворах показали, что для Рис. 11. Дендриграфт полипрактического
использования
дендриграфтов
L-лизина третьей генерации.
полилизина необходимо иметь компьютерные модели
отдельных генераций, которые можно было бы использовать для предсказания поведения
этих молекул в разных условиях, например, при разных ионных силах раствора, при
разных рН или смене состава противоионов.
Задачей данной части работы стала разработка способа моделирования
дендриграфтов поли-L-лизина (ДПЛ) и сравнение основных параметров молекул ДПЛ,
полученных экспериментально и компьютерным
моделированием. Полноатомное компьютерное
моделирование проводили методом молекулярной
динамики с использованием программы GROMACS.
Лизин обладает двумя амино-группами – концевой и
находящейся в его боковой цепи. Это приводит к
тому, что в дендритных структурах, состоящих из Рис.
12.
Схематическое
лизина, один из двух спейсеров в месте
представление части структуры
присоединения следующего остатка лизина через
дендритной молекулы второй
амино-группу имеет существенно большую длину,
чем другой ( S и L, см. Рис. 12). В каждой генерации на основе лизина.
последующей генерации дендриграфта происходит удвоение числа лизиновых остатков.
Создание дендриграфта конвергентным методом в Accelrys Materials Studio начинали с
ядра молекулы. В отдельном файле создавали молекулу с одной выделенной амино-
15
группой для присоединения к ядру, и несколькими другими для присоединения остатков
лизина. После создания молекул с отмеченными функциональными группами, начинали
процесс наращивания слоев. Молекулу ДПЛ первично оптимизировали в вакууме. На
следующем шаге проводилась подготовка периодической ячейки для моделирования
методом молекулярной динамики. Периодическая ячейка имела размеры 12х12х12 нм и
содержала молекулу дендриграфта, контрионы и молекулы воды. Моделирование
состояло из двух этапов: первый представлял собой предварительный расчет для
релаксации системы на протяжении 50 нс, второй – основной этап, время которого после
релаксации составляло в среднем 90 нс с шагом интегрирования уравнений движения в 2
фс. Полученная траектория содержала в среднем 45×106 состояний системы, что было
достаточно для усреднения ее параметров. Один из результатов моделирования ДПЛ
показан в табл. 4. С учетом близости размеров Rh и Rg для сфероподобных молекул
можно сделать вывод о хорошем соответствии данных расчета и эксперимента.
Талица 4. Размеры молекул ДПЛ в водно-солевой среде, определенные компьютерным
моделированием (Rg) и гидродинамическими методами (Rh).
Генерация
*Rh, нм
**Rh, нм
Rg, нм
1
9.7-10.5
10.3-10.5
9
2
16.6-22.1
18.3-19.5
17
3
25.4-34.3
29.2-30.1
25
*, ** получены методом Тейлоровской дисперсии в работе Cottet et al. // Biomacromolecules. 2007.V.8.P.
3235 и методом релаксации ЯМР 1Н в работе Yevlampieva et al. // Polymers. 2012. Т. 4 № 4. P. 20.
ВЫВОДЫ
1.
Исследование методами гидродинамики гомологических рядов гомополимера МАГ
и сополимеров МАГ-акриловая кислота и МАГ-метакриловая кислота показало, что
введение 20 % звеньев непредельных кислот в гомополимер практически не изменяет
жесткость его цепи. Экспериментально определенная величина сегмента Куна ПМАГ,
МАГ-АК и МАГ-МАК (19-20) Å свидетельствует о том, что это типично гибкоцепные
полимеры.
2.
Сополимеры МАГ-АК и МАГ-МАК чувствительны к термодинамическому качеству
растворителя. Показатели степени в соотношениях Марка-Куна-Хаувинка для
характеристической вязкости сополимеров МАГ-АК и МАГ-МАК в одном и том же
растворителе отличаются.
3.
Исследование хитозана и его кватернизованного производного ГТПХ в одном
растворителе позволило выяснить, что кватернизация является причиной изменения
термодинамических условий для молекул ГТПХ в сравнении с исходным полисахаридом.
Следствием этого является отличие в гидродинамических размерах молекул и показателей
степени в скейлинговых соотношениях для этих полимеров.
4.
В растворителе, полностью подавляющем полиэлектролитный эффект – 0.33М
СН3СООН+0.2М СН3СООNa (рН 3.54), экспериментально определенная равновесная
жесткость молекул хитозана и ГТПХ близка и составляет 150-160 Å.
5.
Растворитель с такой же ионной силой, как и 0.33М CH3COOH+0.2M CH3COONa,
но нейтральным рН, – 0.2М NaCl не является буферным для кватернизованного хитозана
и не пригоден для определения молекулярных характеристик ГТПХ при бесконечном
разбавлении.
16
6.
Моделирование дендриграфтов полилизина методом молекулярной динамики
показало возможность исследования гидродинамических свойств этих молекул
расчетными методами. В рамках выбранного подхода для моделирования дендриграфтов в
водно-солевых средах получено хорошее соответствие размеров модельных молекул и
вида зависимости их размеров от номера генерации, определенных экспериментальными
методами. Разработанный подход позволяет прогнозировать гидродинамические свойства
дендриграфтов полилизина при изменении свойств растворителя (ионной силы, состава
противоионов и т.д).
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:
1.
Yevlampieva N.P., Gubarev A.S., Gorshkova M. Yu., Okrugin B.M., Ryumtsev E.I.
Quaternized and Unmodified Chitosans: Hydrodynamic Properties // Journal of Research
Updates in Polymer Science. 2015. V.4. N1. P. 31-41.
2.
Yevlampieva N.P., Gubarev A.S., Gorshkova M. Yu., Okrugin B.M., Ryumtsev E.I.
Hydrodynamic behavior of quaternized chitosan at acidic and neutral pH //J. Polym. Res. 2015.
V. 22. N9. Article:166.
3.
Евлампиева Н.П., Округин Б.М., Левит М. Л., Губарев А.С., Назарова О. В., Рюмцев
Е. И., Панарин ЕФ. Конформационные и гидродинамические свойства гомополимера 2деокси-2-метакриламидо-D-глюкозы и ее сополимеров с акриловой и метакриловой
кислотами // Высокомолек. соед. Сер. А. 2014. Т. 56.№4. С.381-388.
4.
Неелов И.М., Маркелов Д.А., Фалькович С.Г., Ильяш М.Ю., Округин Б.М.,
Даринский А.А.Математическое моделирование лизиновых дендримеров. Температурные
зависимости // Высокомолек. соед. Сер. С. 2013. Т. 55. №7. С.963-970.
5.
Neelov I.M., Okrugin B.M., Falkovich S.G., Darinskii A.A. Computer simulation of new
tupe of branched peptides – Lysine dendrigrafts // Book of abstracts of Int. Symp. "Order and
mobility in polymer systems", St. Petersburg, 2014. P.28 (O-13).
6.
Yevlampieva N.P., Okrugin B.M., Neelov I.M. Structure-properties relations of polylysine
dendrigrafts: experiment and computer simulation data // Book of abstracts of Int. Symp. "Order
and mobility in polymer systems", St. Petersburg, 2014. P.102 (P-006).
7.
Округин Б.М., Левит М.Л., Губарев Е.А., Евлампиева Н.П. Конформационные и
гидродинамические свойства поли(2-деокси-2-метакриламидо-D-глюкозы) и ее
сополимеров с непредельныи кислотами // Сборник тезисов шестой Всероссийской
Каргинской конференции «Полимеры - 2014», Том 2, С. 520.
8.
Евлампиева Н.П., Округин Б.М., Коттэ Э. Молекулярные особенности
дендриграфтов полилизина // Сборник тезисов шестой Всероссийской Каргинской
конференции «Полимеры - 2014», Том 2, С. 488.
9.
Неелов И.М., Фалькович С.Г., Округин Б.М., Ильяш М.Ю., Даринский А.А.
Лизиновые дендриграфты. Молекулярно-динамическое моделирование нового типа
разветвленных пептидных структур // Сборник тезисов шестой Всероссийской
Каргинской конференции «Полимеры - 2014», Том 1, С. 226.
10. Yevlampieva N.P., Okrugin B.M., Gorshkova M.Yu., Volkova I.F.Hydrodynamic
properties of N-[(2-hydroxy-3-trimethylammonium)propyl]chitosan // Book of abstracts of
International conference “Bio-based Polymers and Composites”, Siofok, Hungary, 2012, P. 342.
11. Yevlampieva N.P., Gorshkova M.Yu., Volkova I.F., Lezov A.V., Okrugin B.M., Ryumtsev
E.I. Hydrodynamic properties of chitosan bearing quaternary ammonium at the side-chains //
Book of abstracts of Int. Symp. "Order and mobility in polymer systems", St. Petersburg, 2011.
P-017.
12. Okrugin B.M. Molecular properties of water soluble derivative of chitin // Book of
abstracts of International student conference “Science and Progress”, St. Petersburg, 2010.
P.179.