WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ПАРАМОНОВА Екатерина Владимировна МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПОЛЯРИЗАЦИИ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ Специальность 03.00.02 – Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2008

Работа выполнена в Институте математических проблем биологии Российской Академии Наук.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Быстров Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Караваев Владимир Александрович доктор химических наук, профессор Комиссаров Геннадий Германович

Ведущая организация: Институт биофизики клетки РАН

Защита диссертации состоится “ ” 2008 г. в часов на заседании Диссертационного Совета Д 501.002.11 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан “ ” 2008 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 501.002.11 Доктор физико-математических наук Г.Б. Хомутов 2

Общая характеристика работы

Объектом исследования был выбран фосфат кальция - гидроксилапатит, на протяжении последних трёх десятилетий выдвигаемый на первый план в качестве заменителя кости. Характерной особенностью его структуры является существование цепочек диполей ОН- в колоннообразных каналах, образованных 3атомами кальция и группами PO4. Перенос протонов в такой структуре обеспечивает поляризацию гидроксилапатита, что, в свою очередь, усиливает эффективность нарастания костной ткани на его поверхности. В настоящее время активно развиваются исследования по переносу протонов в различных биологических, физических и композитных системах. Транспорт протонов по системе водородных связей играет важнейшую роль как в биологических системах, так и в различных твёрдотельных структурах. При этом детально механизм переноса протона по каналам апатитной структуры ещё до конца не ясен. Выяснение условий, необходимых для протонного транспорта в таком канале, позволит не только понять механизмы переноса заряда в структуре минеральной составляющей костной ткани позвоночных, но и даст новый толчок в развитии нанотехнологий, биомедицины и имплантантологии.

Актуальность темы Широкие перспективы в области разработки биоматериалов связаны с внедрением биокерамики. Особый интерес представляют исследования, относящиеся к “регенерационному” подходу, при котором упор делается не на замещение костного дефекта постоянным имплантатом с подходящими механическими характеристиками, а на быструю биодеградацию материала имплантата и последующую замену его костной тканью.

Гидроксилапатит (Ca5(PO4)3(OH)), соответствует по структуре и составу минеральному компоненту кости и широко используется в хирургии и в стоматологии для покрытия внутрикостной части имплантатов, заполнения дефектов кости. К тому же, он является идеальным типом имплантанта – со временем такой протез рассасывается при этом часть апатита идет на формирование новой собственной костной ткани.

Способность гидроксилапатита стимулировать адгезию клеток костной ткани на поверхность улучшается при поляризации образца. Поляризация поверхности апатита связана с переносом протонов по цепочкам гидроксил – ионов в каналах, являющихся наиболее важной особенностью его структуры.

Таким образом, любая информация, которую можно получить об условиях в каналах, будет полезной для понимания переноса заряда вдоль канала. Такую информацию можно получить с помощью методов компьютерной химии. Так, на поверхность потенциальной энергии протона в канале влияют фосфатные группы (более того, один из возможных механизмов переноса протона заключается в его прохождении через эту группу), а также примеси, например, фтора.

В данной работе исследовались механизмы поляризации фосфатов кальция – гидроксилапатита и апатита с примесью фтора, определялись величины энергетических барьеров и возможные пути переноса протона по каналам апатитной структуры.

Цель работы Выяснение физико-химических механизмов поляризации фосфатов кальция (гидроксилапатита), в том числе, посредством переноса протонов в его структуре, исследование влияния на процесс поляризации различных факторов (таких, как примеси в структуре и электрическое поле) является основной целью данной работы.

Задачи работы.

• анализ комплексов программ для решения поставленной задачи;

• анализ квантово-химических методов, которые обеспечивали бы наиболее корректное решение поставленной задачи;

• анализ и построение оригинальной модели структуры фосфата кальция – гидроксилапатита;

• установление на основе проведенных расчетов наиболее вероятных механизмов поляризации гидроксилапатита;

• анализ на основе проведенных расчетов влияния физиологически наиболее значимой примеси в структуре апатита, а именно замены кислорода во внутриканальной цепочке на фтор на энергетические барьеры в канале апатитной структуры;

• анализ влияния электрического поля на профили потенциальной энергии в канале.

Методы исследования В работе применялись программные комплексы HyperChem, Gaussian 98.

Для визуализации использовались Facio, Gabedit, MolView.

Научная новизна работы Впервые квантово-химическими методами рассчитаны условия в оригинальной модели канала чистого гидроксилапатита, и в случае замещения гидроксильной группы ионом фтора. Получены величины энергетических барьеров в разных кристаллографических фазах апатита для:

• переноса протона вдоль цепочки в канале гидроксилапатита;

• переноса протона с участием атома кислорода из фосфатной группы;

• переноса протона вдоль внутриканальной цепочки и с участием кислорода из фосфатной группы для случая примеси фтора в цепочке ОН.

Впервые проведена серия расчетов, учитывающих влияние электрического поля на перенос протона в такой системе. Полученные величины энергетических барьеров в случае наложения внешнего электрического поля хорошо согласуются с наблюдаемым в эксперименте длительным сохранением поляризационного заряда.

В ходе выполнения работ впервые установлен важный размерный эффект:

при уменьшении размеров кластера гидроксилапатита увеличивается его дипольный момент и поляризация; кроме того, дипольный момент также увеличивается при захвате оборванными связями протонов. Однако, здесь обратный эффект – большой кластер при насыщении оборванных связей Н+ поляризуется сильнее, что очень важно для практического применения.

Полученные значения работы выхода хорошо согласуются с данными, полученными в результате экспериментов партнеров по проекту Европейского содружества NMP3-CT-2003- 504937 (PERCERAMICS), в рамках которого проводилось данное исследование. В результате нашего численного эксперимента показано также, что возникновение заряда на поверхности малых (нано) кластеров гидроксилапатита обусловлено в первую очередь разупорядочением поверхности.

Научно-практическое значение работы Результаты работы были использованы при выполнении работ по проекту Европейского содружества NMP3-CT-2003- 504937 (PERCERAMICS), в рамках которого проводилось данное исследование. Представленные в диссертации данные необходимы для анализа экспериментальных данных при разработке биоимплантантов на основе фосфатов кальция и способствуют более глубокому пониманию механизмов поляризации в структуре апатита. Также полученные результаты нашли применение при разработке технологии изготовления материалов для имплантантов с требуемыми физическими и химическими свойствами.

Личный вклад автора Автором выполнены все расчеты и получены основные результаты диссертации. Автор активно участвовал в обсуждении полученных результатов и их интерпретации на всех этапах исследования.

Апробация работы и публикации Основные результаты диссертации были представлены на следующих конференциях:

8-ая международная Пущинская конференция молодых ученых «Биология – наука 21-го века», 17-21 мая 2004 г., Пущино; XV Всероссийская конференция «Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов для решения задач математической физики с приложением к многопроцессорным системам», посвященная памяти К.И.Бабенко. Сентябрь 2004, Дюрсо;

The 3rd Symposium “Micro- and Nanostructures of Biological Systems”, June, 2004, Halle (Saale), Germany; 49th Annual Meeting of Biophysical Society, February 12-16, 2005; “MATERIALS 2005”. XII Portuguese Materials Society Meeting March 20th –23rd; III International Materials Symposium. March 20th – 23rd Aveiro, Portugal, 2005; 19th European Conference on Biomaterials, Sorento, Italy, 11-15 September 2005; 10-я Пущинская школа-конференция молодых учёных, 17-21 апреля 2006г., Пущино; Int. Congress of Biomechanics, Munchen, Germany, Julу 2006; Int. Congress of Biomed. Physics Seul, Koreya, August 2006;

1th Int. Conference on Mathematical Biology and Bioinformatics, Pushchino, Russia, October 2006; 3rd Baltic conference of silicate materials, 24-25 May, 2007, Riga, Latvia; ISIF 2007 May 8-11, 2007, Bordeaux, France; First SMARTER Crystallography, 6 - 7 September 2007, University of Aveiro, Portugal, September 2007; September 2007, Blede, Sloveniya; 11-я международная школа Пущинская конференция молодых ученых «Биология – наука 21-го века», 29 октября – 2 ноября 2007, Пущино.

По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ.

Диссертация состоит из 5 глав, изложена на 103 листах, содержит 7 таблиц и 21 иллюстрацию.

2. Содержание диссертации Введение.

Обоснована актуальность темы, сформулирована цель и основные задачи работы, охарактеризована важность полученных результатов.

Первая глава.

Первая глава представляет собой обзор литературных данных. В ней рассматриваются и Рис.1. Перенос протона по анализируются структурные особенности цепочке ОН. Первый шаг – поворот протона вокруг иона фосфата кальция – апатита.

О2-, затем протон перемещается к соседней Проводится подробный анализ имеющихся протонной вакансии.

литературных данных по структуре апатита, его возможным фазам – моноклинной и гексагональной, условиям перехода между ними и влиянию примесей на свойства гидроксилапатита. Доказывается необходимость получения информации о механизмах поляризации гидроксилапатита, в первую очередь, об условиях в канале апатитной структуры, влияющих на перенос протона. Приводятся известные экспериментальные данные по накоплению большого (до 1.2 мКсм-2) поверхностного заряда, сохраняющегося в течение необходимого для медицинского использования времени – больше полутора месяцев. Приводится предполагаемый механизм переноса протона по цепочке ОН- в канале.

Перенос протонов на большие расстояния вдоль ОН- цепочек в апатитной структуре требует: 1) протонного обмена между двумя соседними ОН-···ОН- и/или F- ионами, и 2) переориентации отдельных ОН (FH) диполей (Рисунок 1).

Вероятно, что при переходе от одного ОН к другому протоны «проходят» через 3PO4 ионы, образующие канал.

Обосновывается необходимость компьютерных расчетов барьеров на возможных путях переноса протона.

Вторая глава Методы компьютерного моделирования Во второй главе дается описание современных методов, используемых в компьютерной химии, включая методы молекулярной механики и квантовохимические методы расчета равновесной геометрии различных молекул.

Проводится обзор основных методик, применяющихся для решения научных задач по изучению строения вещества, исследованию биологических систем, свойства которых связаны с их атомным и электронным строением, и динамических свойств атомов и ионов в различных кристаллических и молекулярных структурах.

Рассматриваются общие подходы к изучению электронной структуры молекул на основе приближенных методов решения уравнения Шредингера.

Проводится сравнение методов, обосновывается выбор методов исследования.

Третья глава Модели структуры апатита. Размерный эффект.

Третья глава посвящена описанию моделей гидроксилапатита нано размеров, построенных на основе экспериментальных данных. Представлены методы их получения, использованные при этом программные средства.

Обоснован выбор методов исследования. Оптимизация геометрии моделей проводилась методом молекулярной механики ММ+ с помощью программы HyperChem. Полученные в третьей главе структуры использовались в качестве стартовых геометрий в расчетах по определению возможности переноса протона по каналам апатитной структуры (Глава IV).

В процессе построения адекватных моделей структуры установлен размерный эффект, вызванный сильным разупорядочением поверхности частиц меньших размеров. Проведено сравнение полученных дипольных моментов и поляризации для «большого» (5х5х3 эл. яч.) и «малого» (содержащего всего два канала) кластеров. Установлено, что с уменьшением размера кластера растет его дипольный момент – этот размерный эффект подтвержден экспериментально группой – партнером по выполнению проекта Европейского содружества NMP3-CT-2003- 504937 (PERCERAMICS). Показано, что для кластеров гидроксилапатита малого размера поляризация вызвана большим разупорядочением поверхности.

В третьей главе также проводится качественное исследование взаимодействия апатита и титановой подложки – распространенного на сегодняшний день типа имплантанта. Показано изменение направления дипольного момента такой системы по сравнению с направлением дипольного момента кластера гидроксилапатита. Сделано предположение о связи данного эффекта с необходимостью операций по замене таких имплантатов – приблизительно 20% от проводимых ежегодно. Сделан вывод о необходимости применения других подходов к проблеме прочности имплантанта – например, биомиметического подхода с использованием полимера поливинилденфторида (ПВДФ) в роли коллагена костной ткани в композите ПВДФ – гидроксилапатит (качественное исследование композита приводится в пятой главе).

Четвертая глава Определение возможности переноса протона в канале гидроксилапатита.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»