ТЕОРИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
УДК 541.64:547.458.81
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МИНЕРАЛИЗАЦИИ НАНОФИБРИЛЛ НАТИВНОЙ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В РАСТВОРАХ МИНЕРАЛЬНЫХ ИОНОВ. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ1 © 2014 г. Д. А. Толмачев, Н. В. Лукашева
Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук 199004 Санкт-Петербург, Большой пр., 31 Поступила в редакцию 16.09.2013 г. Принята в печать 23.01.2014 г.
Методом молекулярной динамики выполнено моделирование фибриллы нативной бактериальной целлюлозы, помещенной в раствор СаС12 при трех концентрациях — меньшей, равной и превышающей предел растворимости. Показано, что активность гидроксильных групп, находящихся на поверхности фибриллы бактериальной целлюлозы недостаточна, чтобы адсорбировать ионы Са2+. Сделан вывод о том, что кристаллизация минерального компонента не может осуществляться на поверхностях нанофибрилл нативной бактериальной целлюлозы.
БО1: 10.7868/82308112014040166
ВВЕДЕНИЕ
Для создания костных имплантатов необходимы композиционные материалы, обладающие схожей с костной тканью структурой и механическими свойствами, а также высокой биосовместимостью и биоактивностью. Наиболее перспективными в этом отношении являются орга-номинеральные композиты на основе биополимерных матриц [1], в частности бактериальной целлюлозы (БЦ), и фосфатов кальция (ФК) [2, 3].
Композиты на основе бактериальной целлюлозы и фосфатов кальция представляют собой новый класс биоматериалов предназначенных для тканевой инженерии и ортопедической хирургии. Эти материалы отличаются высокими механическими характеристиками, хорошей остеокондук-тивностью и биодеградацией [4], а также удачно сочетают в себе свойства обоих компонентов. БЦ, продуцируемая "ЛееШЪа^ег хуНпиш", обладает высокой биосовместимостью и превосходными физическими свойствами, характеризуемыми высокой прочностью на разрыв, модулем упругости и гидрофильностью [5—7]. Морфологически волокна БЦ похожи на коллагеновые волокна костной ткани, поскольку они, как и коллаген ко-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и образования (Соглашение № 8023 от 11 июля 2012 г.) и РФФИ (в рамках научного проекта № 14-0332041).
E-mail: luk@imc.macro.ru (Лукашева Наталья Вячеславовна).
сти, имеют иерархическую надмолекулярную структуру [8]. Основными элементами структуры БЦ являются ленты, образованные нанофибрил-лами, обладающими трехмерным (кристаллическим) порядком [9] (рис. 1). Синтетические ФК являются аналогами минеральной составляющей костной ткани [1].
Одним из наиболее распространенных способов создания композиционных материалов, обладающих схожей с костной тканью структурой и механическими свойствами, можно назвать метод имитации биологической минерализации, при котором органическая матрица помещается в водный раствор ионов ФК, состав которого аналогичен составу тканевой жидкости [10]. Для создания композиционных материалов на основе БЦ и ФК используют как нативную, так и химически модифицированную БЦ [4, 11—14].
Концепция формирования минерала из раствора на биологически активных органических матрицах, как правило, включает два аспекта: наличие на поверхности матрицы функциональных групп, которые вызывают гетерогенную нуклеа-цию минерала (I), и повышенную перенасыщенность окружающего раствора, что ускоряет процесс зарождения и роста минеральной фазы (II).
Если поверхность органической матрицы содержит активные группы, способные ионизироваться в водном растворе, приобретая положительный или отрицательный заряд (как в случае химически модифицированной БЦ), формирование минерального слоя на ней определяется, главным образом, электростатическими взаимо-
(а)
7
Рис. 1. Структурная организация лент (а) и нанофибрилл (б).
действиями ионов с зарядами поверхности. У на-тивной целлюлозы есть значительные по величине (около —0.6е) парциальные заряды на кисло-родах гидроксильных групп, что предполагает возможность реализации ион-дипольных взаимодействий между ионами Са2+ и гидроксильны-ми группами, находящимися на поверхности нанофибрилл нативной БЦ, и возможность формирования контактов между ионами Са2+ и кислородами гидроксильных групп. Ранее [15, 16] было показано, что в композиционном материале, получаемом при смешивании водных суспензий предварительно синтезированных кристаллитов ФК и БЦ, связывание таких уже готовых компонентов оказывается выгодным. Но обладают ли гидроксильные группы индукционной способностью, достаточной для гетерогенной кристаллизации ФК на поверхности нанофибрилл БЦ, не ясно.
Биоимитационные композиционные материалы на основе нативной БЦ получали тремя способами.
Первый способ заключался в том, что органическую матрицу длительное время выдерживали в растворе, имитирующем по своему ионному составу тканевую жидкость, с несколько более высокой концентрацией ионов (как правило, в 1.5 раза выше, чем в тканевой жидкости) [12, 14].
Второй способ состоял в том, что для ускорения процесса минерализации органическую матрицу сначала вымачивали в растворе СаСЦ (0.1 М) для обогащения ионами Са, а затем помещали в раствор с концентрацией ионов выше, чем в тканевой жидкости в 1.5 раза [13].
Наконец, третий способ, органическую матрицу попеременно помещали в растворы СаСЦ и фосфатные соли № или К [4, 11, 14].
Состав и структура синтезированных композиционных материалов были исследованы в этих работах различными методами — рентгеновской
фотоэлектронной спектроскопией [4], энергодисперсионным рентгеновским анализом [11], атомно-эмиссионной спектроскопией [12, 14], инфракрасной спектроскопии [11—14], электронной микроскопии [11—14], рентгеновской [11, 12] и электронной дифракцией [14]. Все исследования обнаружили формирование кристаллов апатита на нанофибриллах БЦ. Большинство авторов [4, 11, 12, 14] предполагает, что именно гидроксильные группы способствуют их формированию. Кроме того, ИК-спектроскопия [11] показала наличие красного сдвига полосы, приписываемой внутримолекулярным водородным связям, что свидетельствует о сильном взаимодействии между группами ОН и апатитом. Напротив, в работе [13] предполагается, что процесс минерализации обусловлен, главным образом, не адсорбцией, а абсорбцией ионов (физическим захватом в объем), из-за трехмерной сеточной структуры матрицы. Таким образом, анализ экспериментальных данных не позволяет сделать однозначный вывод о том, осуществляется ли кристаллизация минерального компонента (и в какой степени) на поверхностях нанофибрилл БЦ или она идет в растворе.
Как было отмечено выше, для ускорения процесса минерализации образцы нативной БЦ сначала помещают в раствор СаС12, так как предполагается, что таким образом БЦ обогащается ионами Са, а, именно, что поверхности нанофиб-рилл адсорбируют ионы кальция из раствора. Следовательно, чтобы понять, как в процессе синтеза композиционных материалов осуществляется минерализация нативной БЦ, необходимо сначала выяснить, способны ли гидроксильные группы, находящиеся на поверхностях нанофиб-рилл удерживать ионы кальция. Для этого в настоящей работе было выполнено моделирование методом молекулярной динамики (МД) системы, состоящей из нанофибриллы БЦ, помещенной в водный раствор СаС12.
Рис. 2. а — Элементарная ячейка кристаллической целлюлозы ф, б — чередующиеся слои молекул целлюлозы и в — стартовая структура нанофибриллы БЦ (поперечное сечение).
Были рассмотрены три концентрации: концентрация ниже предела растворимости, концентрация, отвечающая пределу растворимости, и концентрация, существенно его превышающая.
МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Расчетные модели
Кристаллическая структура БЦ была определена как полиморфная модификация ф, обладающая моноклинной кристаллической структурой (рис. 2а) и имеющая симметрию Р21. Она построена чередованием двумерных слоев из связанных водородными связями глюкозных остатков, причем чередующиеся слои смещены друг относительно друга вдоль молекулярной оси (оси с) (рис. 2б) на ±е/4 [17]. Эти слои в литературе рассматриваются как слои, созданные так называемыми "угловыми" (рис. 2а, молекула I) и "центральными" (рис. 2а, молекула II) молекулами кристаллической ячейки.
Для построения полноатомной модели структуры нанофибриллы БЦ были использованы кристаллографические данные о структуре целлюлозы ф, которая обладает моноклинной кристаллической структурой с параметрами элементарной ячейки а = 0.82 нм, Ь = 0.78 нм, с = 1.038 нм, в =
Моделируемые концентрации растворов CaCl2
Концентрация CaCl2 Количество ионов Количе-
Обозначение Величина, моль/кг Ca2+ Cl1- ство молекул воды
С1 1.4 285 570 11563
С2 6.8 1107 2214 9081
Сз 11.5 1464 2928 8010
= 90°, а = 90°, у = 96.6°, а также данные о координатах атомов молекул целлюлозы в кристаллической ячейке [17].
Модельная фибрилла состояла из 64 олиго-мерных молекул целлюлозы (рис. 2в), каждая из которых содержала 8 глюкозных остатков. Заряды на атомах целлюлозных молекул были рассчитаны ранее [15] с помощью квантово-химического метода ab initio (6-31G*). Кислороды гидроксиль-ных групп обладают значительным по величине (около —0.6) отрицательным парциальным зарядом.
Построенную нанофибриллу помещали в расчетную ячейку с периодическими граничными условиями по всем направлениям. Периодические граничные условия в направлении длинных осей молекул использованы в работе таким образом, чтобы целлюлозные цепи были ковалентно связаны через периодическую границу ячейки, что позволило имитировать бесконечно длинные молекулы. Размеры ячейки составляли 4.436 нм в направлении вдоль молекул целлюлозы и 10.298 нм по двум поперечным направлениям.
Для моделирования поведения фибриллы в водном растворе, ячейку с помещенной в ее центре целлюлозной фибриллой заполняли молекулами воды и ионами в необходимой концентрации. Для создания необходимой концентрации раствора часть молекул воды, выбранных случайным образом, замещалась ионами Ca2+ и Cl1-. Были рассмотрены три концентрации: С1 ниже предела растворимости (1.4 моль/кг); С2, отвечающая пределу растворимости (6.8 моль/кг) и С3 много выше предела растворимости (11.5 моль/кг). Соответствующее этим концентрац
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.