Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 10
Глава 2. Описание экспериментальных методов 21
2.1. Вискозиметрия 21
2.1.1. Методы измерения характеристической вязкости полимеров 24
2.2. Статическое и динамическое светорассеяние 27
2.3. Поступательная изотермическая диффузия 32
2.4. Спектральные методы 37
2.5. pH-метрия 39
2.6. Методы компьютерного моделирования 40
2.6.1. Полуэмпирические методы 41
2.6.2. Метод молекулярной динамики 41
Глава 3. Конформационные и гидродинамические свойства сополимеров 2-деокси-2-метакриламидо-D-глюкозы с акриловой и метакриловой кислотами 46
3.1. Методики синтеза МАГ-АК и МАГ-МАК 48
3.2. Методы исследования 49
3.3. Результаты и исследования гидродинамических свойств сополимеров и гомополимера МАГ 51
3.4. Выводы главы 3 61
Глава 4. Кватернизованный и немодифицированный хитозан: гидродинамические свойства 63
4.1. Хитозан и его кватернизованные производные 63
4.2. Методики синтеза образцов хитозана и N-[(2-гидроокси-3-триметил-аммоний)пропил] хитозана 65
4.3. Растворители 67
4.4. Компьютерное моделирование декамеров хитозана и ГТПХ 67
4.5. Гидродинамические свойства гомологических рядов хитозана и ГТПХ в 0.33М СН3СООН+0.2М CH3СООNa 72
4.6. Гидродинамические и спектральные свойства кватернизованного хитозана в 0.2М NaCl 82
4.7. Выводы главы 4 88
Глава 5. Дендриграфты полилизина: молекулярные особенности и компьютерное моделирование 89
5.1. Дендримеры и дендриграфты. 89
5.2. Гидродинамические свойства дендриграфтов поли-L-лизина 92
5.3. Компьютерное моделирование различных генераций 96
дендриграфтов полилизина. 96
Выводы 102
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях: 104
Список литературы 106
- Статическое и динамическое светорассеяние
- Результаты и исследования гидродинамических свойств сополимеров и гомополимера МАГ
- Методики синтеза образцов хитозана и N-[(2-гидроокси-3-триметил-аммоний)пропил] хитозана
- Гидродинамические свойства дендриграфтов поли-L-лизина
Введение к работе
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 низко- и
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 и ли химически модифицированных известных полимеров актуально для
современной фармакологии, медицины и био технологий. 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
основном, производилось методом молекулярной динамики в рамках программы GROMACS и полуэмпирическими методами в рамках программы HYPERCHEM.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
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.
-
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.
-
Разработана методика моделирования различных генераций дедриграфтов поли-L-лизина 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 и х молекулярной массой. И сследованы 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.
На защиту выносятся следующие положения:
-
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.
-
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 СН 3СООNa (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.
Статическое и динамическое светорассеяние
Начиная с 70-х годов 20 века,хитозаниспользуется в косметических препаратах. Косметические средства на основе хитозана совместимы с другими средствами для красоты и ухода, они не токсичны, биодеградируемы, бесцветны и не обладают запахом. Благодаря этим качествам хитозан считается хорошим сырьем для косметической продукции [24]. Но самое перспективное и быстрорасширяющееся применение хитозана сегодня - медицина. На основе хитозана создаются биодеградируемые носители антибиотиков, противовирусных и противоопухолевых препаратов, а так же системы доставки инсулина и других лекарств [25-29]. Нетоксичность, антибактериальные и противовирусныесвойства хитозана [30-34] объясняют повышенный интерес к изучению его производных для новых целевых применений.
Поливинилсахариды - пример сочетания в одном полимере разных полезных качеств. Эти полимеры имеют основную виниловую цепь и содержат в качестве боковых заместителей глюкопиранозные циклы, из которых состоят полисахариды (Рис. 1.1). Поливинилсахариды (или гликополимеры) относятся к классу синтетических полимеров на основе биомономеров.Изучению их свойств, а также методам их синтеза и возможностям практического применения в последние годы посвящено значительное количество публикаций [35-44]. Гликополимеры можно отнести к объектам, интерес к которым в медицине, фармакологии, нано- и биотехнологиях остается высоким на протяжении последних 10лет.
Полимерные макромолекулы дендритного типа начали применять в медицине и фармакологии относительно недавно, поскольку первые дендримеры были синтезированы в 80-х годах 20 века [45]. Одно из самых распространенных применений макромолекул дендритной структуры в настоящее время - это их использование в качестве наноконтейнеров для молекул меньших размеров. Но дендримеры имеют и множество других промышленных [45, 46] и биомедицинских применений [47-51]. Симметричные дендримеры с одним или двумя центрами ветвленияисследованы относительно хорошо. В литературе можно найти многочисленные публикации, посвященные изучению свойств дендримеров теоретическими методами [52], компьютерным моделированием [53-57] и различными экспериментальными методами [58], в том числе гидродинамическими [59, 60]. Компьютерное моделирование внесло значительный вклад в рассмотрение макромолекул этого типа. Первые предсказания для радиуса инерции Rg и распределения плотности трех функционального дендримера в хорошем растворителе были получены DeGennes и Hevet [61]. Они использовали модифицированный метод самосогласованного поля с допущением о том, что все точки ветвления для заданной генерации находятся в концентрических сферических слоях с центром в ядре дендримера, и сделали вывод, что плотность дендримера монотонно возрастает с расстоянием от центра молекулы при возрастании его гидродинамического радиуса в зависимости от молекулярного веса М дендримера как Rg M0.2 до определенного значения радиуса Rg, а затем гидродинамический радиус пропорционален Rg M0.33. Эти закономерности соответствуют дендримеру с рыхлым ядром и плотной оболочкой. Однако, в нескольких других экспериментах были получены другие результаты. К примеру, в работе [62], используя модель дендримера с короткими спейсерами, авторы показали, что концевые группы для генераций 3 не обязательно находятся на поверхности молекулы, а могут быть обращены внутрь. Этот эффект назвали «Backfolding». Результаты работы [62] приводят к противоположной модели - плотного ядра и рыхлой оболочки дендримера, но полученные авторами [62] зависимости для радиуса инерции от М очень близки к выводам работы[61]. В работах [63-65] c использованием разных модельных подходов было подтверждено, что концевые группы могут быть расположены внутри структуры дендримера. В работе [66] было показано, что расчеты DeGennes и Hevetв [61] верны для модели плотного ядра и рыхлой оболочки, если убрать ограничение для точек ветвления. Поскольку дендритные макромолекулы на основе аминокислоты - лизина представляют большой практический интерес, то их моделированию также посвящено значительное число публикаций, например [47, 50, 67-73]. Вдиссертационной работе исследованы гидродинамические и конформационные свойства полимеров на основе биомономеров, поэтому уместно заранее ввести некоторые основные определения и привести выводы гидродинамических теорий, необходимые для дальнейшего обсуждения. Многие биополимеры растворимы в воде и проявляют полиэлектролитные свойства. Полиэлектролиты - это полимеры, содержащие функциональные группы, способные к электролитической диссоциации или протонированию в водной среде [9, 74]. Все особенные свойства полиэлектролитов в водных растворах проявляются в условиях, когда их функциональные группы несут на себе нескомпенсированные заряды. Эти свойства определяются взаимодействием заряженных функциональных групп между собой и с окружающими их низкомолекулярными противоионами.
В растворе низкомолекулярного электролита равновесие реакции электролитической диссоциации описывается термодинамической константой диссоциации K. Но обычно используют десятичный логарифм этой величины, обозначаемый как рК=-lgK [11].
Результаты и исследования гидродинамических свойств сополимеров и гомополимера МАГ
В настоящее время интенсивно развиваются методы компьютерного моделирования полимерных систем, которые служат для предсказания физико-химических свойств, подтверждения или опровержения свойств полимеров, полученных экспериментальными методами, либо для получения нужных параметров, когда это невозможно сделать экспериментально.
В 50-х годах 20-го века метод Монте-Карло [113], представляющий собой группу численных методов, которые основаны на большом количестве реализаций случайного процесса, сформированным так, чтобы величины решаемой задачи совпадали с его вероятностными характеристиками, использовали для расчетов водородной бомбы. Рождением метода Монте Карло считается 1949 год. В дальнейшем, в 70-х годах 20 века с развитием компьютерного моделирования, появились неэмпирические методы исследования, в которых около 70% компьютерного времени уходило на вычисление интегралов межэлектронного взаимодействия. По мере увеличения размеров молекул, число таких интегралов существенно возрастает, и как следствие, возрастает время расчетов. Дальнейшее развитие моделирования привело к тому, что трудно вычисляемые интегралы заменялись на некоторые параметры, которые были получены экспериментально (например, для различных валентных состояний были взяты потенциалы ионизации атомов) или на параметры, которые не имели физического смысла, но давали результаты, хорошо согласуемые с экспериментальными данными. Основанные на таком подходе методы называются полуэмпирическими.
Необходимо понимать, что результаты полуэмпирических расчетов не могут достаточно точно передавать все физические и химические свойства молекул из-за того, что теоретические упрощения приводят к неточностям в расчетах, а также из-за того, что подгонка параметров происходит, как правило, по одному свойству. В связи с этим существует большое количество полуэмпирических методов, которые призваны описывать одно свойство, реже - группу свойств.
Для квантово-химических методов расчета молекулярных характеристик в настоящей работе использовалась программа HYPERCHEM [114] с полуэмпирическими методами AM1 и PM3. Она позволяет создавать пространственные трехмерные модели молекул полимеров, оптимизировать их конформации в вакууме и выполнять расчеты необходимых молекулярных параметров.
Метод основывается на численном решении уравнений движения молекул. Основным результатом его применения является получение зависимости положения всех атомов системы от времени. Другими словами, мы получаем набор микросостояний системы, которые являются результатом численного решения дифференциальных уравнений. В данном случае это приближенное значение положения молекул во временных точках, равноудаленных на . При записи уравнения движения для каждого атома (атомарном рассмотрении) в качестве оптимального берут значения порядка нескольких фемтосекунд (1фс=10-15с), т.к. чем меньше , тем большее компьютерное время необходимо для расчета системы на протяжении определенного времени, но, больше точность, поэтому при выборе времени необходимо соблюдать компромисс, принимая во внимание доступную компьютерную мощность. В настоящее время мощностей кластеров хватает для проведения расчетов на протяжении сотен наносекунд. Такие расчеты требуют обычно нескольких недель. Однако, на самых мощных компьютерах, созданных специально для расчетов методом молекулярной динамики, уже доступны расчеты в несколько миллисекунд [115]. В данной работе использовался пакет для компьютерного моделирования GROMACS [116] с силовым полем AMBER и GROMOS [117]. Молекулы для молекулярной динамики подготавливались при помощи программ MATERIALSSTUDIO [118], AVOGADRO [119], HYPERCHEM [114], а так же при помощи базы данных топологий PRODRG [120, 121]. GROMACS - Gronigen Machine for Chemical Simulations - бесплатная и одна из самых распространенных на данный момент времени программа для компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Она обладает простым интерфейсом в командной строке с указанием на ошибки в процессе расчета, а так же прозрачностью кода, поэтому пользователь имеет возможность модифицирования и отладки стандартных силовых полей, в том случае, если необходимо обсчитать не стандартную молекулу.
Как было сказано выше, в этой работе было использовано силовое поле AMBER или AssistedModelBuildingwithEnergyRefinement. Такое название связано с мысльюDavidA. Case из института “TheScrippsresearchInstitute” о создании универсального программного комплекса для расчета молекул, который включает в себя общедоступное силовое поле.
Методами молекулярной динамики, ввиду больших затрат компьютерных мощностей для решения уравнений движения, невозможно рассчитывать большие системы (обычно система состоит примерно из миллиона молекул). Чтобы избежать проблемы с обсчетом поверхностного слоя, используют периодические граничные условия. Для этого систему необходимо поместить в ячейку, которая позволяет полностью заполнить пространство. Самой распространенной формой ячейки является кубическая. При моделировании реальную ячейку окружают е собственными образами так, чтобы не осталось пустот. Таким образом, если во время численного интегрирования молекула выходит за рамки реальной ячейки, то из соседней ячейки в моделируемую попадает такая же.
Подготовка ячейки состоит в выборе ее формы и размеров, которые учитывают возможное набухание молекулы полимера в растворителе. Размер ячейки должен быть оптимальным: не очень маленьким, чтобы условия на ее границе мало влияли на поведение молекулы хитозана, и не очень большим, т.к. чем больше ячейка, тем больше в ней молекул растворителя и, соответственно, межмолекулярных взаимодействий, что потребует больше времени для расчета методом МД. Молекулы хитозана и ГТПХ помещались в центр периодической ячейки, затем в ячейку добавлялись молекулы воды. В нашей работе использовалась модель молекулы воды TIP3P с фиксированными углом между связями Н-О-Н, длиной связи О-Н и зарядом, которая является одной из наиболее широко используемых в молекулярно-динамических расчетах. Сжимаемость воды имела значение 4.5 х 10 5 бар"1.
Таким образом, полагая, что исследуемая система считается бесконечной в любом направлении, можно исключить проблему, связанную с поверхностным слоем. Для того, чтобы понять как система, помещенная в периодические граничные условия, поведет себя во времени, нужно задать механизм интегрирования уравнений движения.
Методики синтеза образцов хитозана и N-[(2-гидроокси-3-триметил-аммоний)пропил] хитозана
Как можно заметить из Рис. 3.8, точки, соответствующие ПМАГ и е сополимерам, располагаются вокруг одной и той же прямой, что говорит о близости конформационных параметров этих полимеров. Необходимо отметить, что наклон зависимости, представленной на Рис. 3.8 (см. формулу (1.5)), зависит не только от величины сегмента Куна, но и от величины молекулярной массы, приходящейся на единицу длины молекулярной цепи ML. Исходя из химической структуры гомополимера и соответствующих сополимеров, можно заранее сказать, что MLдля сополимеров должны отличаться незначительно, но величины ML для ПМАГ и МАГ-АК и МАГ МАК будут разные. С целью наиболее объективной оценки величин MLдля трех рассматриваемых цепей, проводили компьютерное моделирование их фрагментов, содержащих несколько десятков мономерных звеньев при различном расположении мономеров АК и МАК в сополимерах при соотношении звеньев двух типов 1:4, в рамках программы AccelrysMaterialsStudio [118], где удобно проводить «полимеризацию» из заданных мономерных звеньев и получать структуры как гомополимера, так и сополимеров. После построения химических структур для расчета ML молекулы были оптимизированы в вакууме при помощи пакета Discovery. Для ПМАГ было получено значение ML= (116.9 ± 0.5) х Ю8 г/см моль, а для сополимеров МАГ-АК и МАГ-МАК были получены значения ML= (112.1 ± 0.5) х Ю8 г/см моль и (113.6 ± 0.5) х Ю8 г/см моль, соответственно.
При использовании вышеприведенных значений МL и при учете параметра гидродинамического взаимодействия (см. формулу (1.6)) для каждого из полимеров из построения, приведенного на Рис. 3.8, были получены совпадающие в пределах погрешности величины сегмента Куна и гидродинамического поперечника для сополимеров: А = (19±2) х 10 8 см и d = 10 х Ю"8 см. Для ПМАГ значение гидродинамического поперечника цепи было таким же, а длина сегмента Куна составила А = (20±2)х Ю"8 см.
Зависимость логарифма характеристической вязкости [] от логарифма молекулярной массы для гомологических рядов сополимеров МАГ-АК и МАГ-МАК в 0.2М NaCl. Таким образом, можно заключить, что равновесная жесткость цепей ПМАГ, МАГ-АК и МАГ-МАК, непосредственно связанная с длиной сегмента Куна А, не отличается для этих полимеров и конформационные свойства ПМАГ, МАГ-АК и МАГ-МАК при статистическом распределении в них звеньев акриловой и метакриловой кислот в количестве порядка 20 мол. % определяются сомономером МАГ.
Соотношения Марка-Куна-Хаувинка (М-К-Х) для ПМАГ и сополимеров в 0.2М NaCl при 298 К были найдены из экспериментальных зависимостей [] = f(Mw) и D0 = f(Mw), построенных в логарифмическом масштабе (Рис. 3.9). Были получены следующие коэффициенты в соотношениях М-К-Х: ПМАГ:
Можно обратить внимание на общее подобие приведенных выше зависимостей М-К-Х, свидетельствующее, в целом, о гидродинамическом подобии поведения молекул ПМАГ и сополимеров в 0.2М NaCl. Однако, несмотря на одинаковое (или очень близкое) количество ионогенных групп, входящих в состав каждого из сополимеров, их зависимости М-К-Х все же численно не совпадают, что указывает на некоторое различие в их гидродинамических свойствах.
Прежде всего, необходимо отметить разницу в показателе степени в соотношениях М-К-Х для характеристической вязкости: для сополимера МАГ-АК он выше, чем для сополимера МАГ-МАК. Очевидно, как было показано выше, это отличие не связано с различием в конформационных свойствах сополимеров МАГ-АК и МАГ-МАК. Увеличение показателя степени в соотношении М-К-Х может быть связано с изменением термодинамического качества системы полимер-растворитель. Это подтверждают отличающиеся значения второго вириального коэффициента А2 для исследованных систем сополимер-растворитель (Табл. 3.2). Для сополимера МАГ-АК величина А2 выше, чем для МАГ-МАК, что может быть следствием несколько лучших в термодинамическом смысле условий для МАГ-АК в 0.2М NaCl. Изменение термодинамических условий может приводить к несовпадающим степеням ионизации карбоксильных групп АК и МАК в составе сополимеров с МАГ, и, как следствие, к изменению внутримолекулярных взаимодействий в этих сополимерах [137, 138]. Вследствие этого параметр гидродинамического взаимодействия =(2а-1)/3 в условиях 0.2 М NaCl для сополимера МАГ-АК имел значение (0.23±0.02), а для сополимера МАГ-МАК - (0.13±0.02).
Гидродинамические свойства дендриграфтов поли-L-лизина
С развитием биотехнологий в конце 20 века возрос интерес к полимерам, обладающим дендритной структурой. Актуальность этого направления была связана с практическими запросами, связанными с созданием макромолекул определенной формы, структуры и размера, т.е. полимеров с полным контролем свойств на уровне отдельно взятых молекул [45]. К наиболее известным молекулам дендритного типа следует отнести дендримеры.
Дендримеры - это макромолекулы с иерархической архитектурой, регулярно разветвленные путем применения специальных приемов синтеза [45]. Дендримеры также назвают «деревом Кэйли» (Cayleytree) [45]. Дедримеры почти сразу оказались востребованы в качестве систем доставки лекарств в генной терапии, в биотехнологиях [162-165]. Однако их широкое применение ограничивает трудоемкий, многоступенчатый и дорогостоящий синтез, требующий контроля на каждом из этапов, схематично представленных на Рис. 5.1.
Существуют два основных метода синтеза дедритных структур -дивергентный и конвергентный [45, 162-165]. Конвергентный метод представляет собой последовательное наращивание генераций дендримера, начиная с его ядра, функциональные группы которого путем химических реакций преобразуются в точки ветвления. При дивергентном методе сначала синтезируются ветви дендримера нужной генерации, а затем они присоединяются к ядру молекулы. Таким образом, конвергентный метод представляет собой метод наращивания слоев, а дивергентный - это сборка дендримера из больших частей.
Получаемые при таких способах синтеза дендритные молекулы обладают близкой к сфере формой, известным размером, а также большим числом функциональных групп на поверхности. Дендримеры можно отнести сегодня к хорошо изученному классу макромолекул, исследованному различными физическими методами. В том числе, например, фотохимическими [166, 167], спектральными [168], масс-спектрометрией [169 -171], методами гидродинамики [172], микроскопии [173], малоуглового рассеяния электронов и рентгеновского рассеяния [174]. Дендриграфты тоже являются макромолекулами дендритного типа, но исследованы они несравненно меньше. Способ синтеза дендриграфтов полилизина, согласно которому к протяженной линейной цепи (ядру) присоединяются (графтируются) лизиновые ветви (Рис. 5.2), был предложен французскими химиками в работе [161]. Другой метод синтеза состоит в создании гиперразветвленной структуры полилизина, предложенный в работе [175]. Последний метод синтеза относится к слабо контролируемым, но позволяет получить, начиная со второй генерации молекулы, близкие по форме к сферическим. Оба метода существенно менее затратны по ресурсам в сравнении с синтезом дендримеров (Рис. 5.1) и позволяют синтезировать большие количества дендриграфтов по относительно низкой цене [176].
Дендриграфты полилизина представляют собой относительно регулярно разветвленные производные лизина, сходные по структуре с дендримерами [69, 70, 73, 176]. Главное отличие дендримеров и дендриграфтов заключается в строении их ядра. Ядро дендриграфта не является единичным атомом, как у одноцентровых дендримеров (Рис. 5.1), а состоит обычно из небольшой цепной молекулы. Задача данной части работы состояла в разработке способа моделирования дендриграфтов поли-L-лизина (ДПЛ) и сравнении основных параметров молекул ДПЛ, полученных экспериментально и полученных компьютерным моделированем.
Объектами исследования были 4 генерации (G1-G4) ДПЛ, синтезироанных по методу [161]. Образцы были предоставлены фирмой COLCOM (Montpellier, France) и использовались без дополнительной очистки.
Схематическое изображение первых четырех генераций дендриграфта поли-L-лизина, каждая точка соответствует лизину (а) и химическая структура дендриграфта поли-L-лизина третьей генерации (б). Область, отмеченная красным соответствует первой генерации, черным - второй генерации дендриграфта.
Первая генерация G1 представляла собой линейную цепочку, состоящую из 8-ми молекул лизина. Вторая генерация G2 включает линейное ядро, графтированное L-лизином, и состоит уже из 48 лизиновых остатков. Третья генерация получается графтированием второй генерации, и так далее. Средняя степень полимеризации для первой, второй, третьей и четвертой генераций составляет - 8, 48, 123, 356, соответственно.
Экспериментальное исследование образцов ДПЛ было проведено методами Тейлоровской дисперсии [161], поступательной изотермической диффузии, ЯМР 1Н и вискозиметрии [177, 178]. В частности, нами [177, 178] было установлено, что гидродинамические размеры молекул ДПЛ существенно меняются при смене растворителя. Это несвойственно большинству дендримеров, и этим дендриграфты отличаются от дендримеров. Дендримеры с точечным центром ветвления практически не меняют своих размеров в разных растворителях [179-182]. Основные данные работы [177] о коэффициентах диффузии Do и гидродинамическом диаметре dh молекул ДПЛ в разных растворителях приведены в Табл.5.1. Как видно из Табл. 5.1, в водных системах размер молекул ДПЛ увеличивается в два и более раз (в зависимости от номера генерации) в сравнении с диметилформамидом, что можно использовать в технологиях формирования наноконтейнеров для доставки лекарственных препаратов [183]. Это ценное для практического применения качество выгодно отличает ДПЛ от дендримеров, которые часто необходимо модифицировать для той же цели специальными функциональными группами, удерживающими низкомолекулярное лекарственное вещество за счет нековалентных связей в объеме дендримера [184]. Причиной выявленных особенностей гидродинамического поведения молекул ДПЛ в разных средах является отличие их структуры от дендримеров, связанное, в первую очередь, с неточечным центром ветвления дендриграфтов.