Сотрудники физфака МГУ предсказали, какой формы будут получаться частицы из полимеров, архитектура которых напоминает пальмы. Учёных 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 Journal of Colloid and Interface Science (Q1).

В работе моделировался процесс самосборки полимерных структур. Это значит, что из сотен отдельных «звеньев» (молекул-пальм), изначально плавающих в растворе, самостоятельно собирается структура определённой морфологии (формы). В результате могут получаться совершенно разные варианты: сферы, цилиндры, везикулы («пузырьки»). И чтобы полученная в эксперименте форма частиц не стала сюрпризом, учёные используют компьютерное моделирование для её 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 Иванович Потёмкин.

Учёные выяснили, что из более разветвлённых 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 цилиндрические, так и от цилиндрических в везикулы.

Следующий шаг исследования – проверка результатов моделирования в эксперименте. Учёным интересно получить цилиндрические частицы и научиться изменять их размеры, меняя параметры исходных молекул-пальм. Веществами-кандидатами для проверки гипотезы могут стать разветвлённые полимеры на основе полипептидов (длинные цепи из аминокислот), которые ввиду своей биосовместимости отлично подойдут для создания лекарственных наноконтейнеров.