Μελέτη της δομής και διεργασιών διάχυσης σε νανοδομημένα υλικά με τεχνικές μοριακής προσομοίωσης
Authors: Καρόζης Στυλιανός 
Published: September 2021

Η παρούσα εργασία επικεντρώθηκε στη θεωρητική μελέτη δομικών χαρακτηριστικών και διεργασιών διάχυσης, σε μια σειρά από νανοδομημένα συστήματα με τεχνικές μοριακής προσομοίωσης. Η χρήση αυτών των προηγμένων υπολογιστικών τεχνικών βοηθά στη λεπτομερή περιγραφή των αντίστοιχων δομών σε μικροσκοπικό επίπεδο (λαμβάνοντας υπόψιν τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις των ατόμων που τις αποτελούν) αλλά και στην εκτίμηση με υψηλό βαθμό αξιοπιστίας και ακρίβειας των μικροσκοπικών και μακροσκοπικών ιδιοτήτων τους. Η ατομιστική προσέγγιση των συστημάτων ενέχει όμως σημαντικές προκλήσεις που οδηγούν στην ανάγκη ανάπτυξης νέων τεχνικών, κατάλληλα προσαρμοσμένων στις ιδιαιτερότητες του κάθε συστήματος. Ένας από τους κύριους στόχους της παρούσας εργασίας είναι η ανάδειξη της ιδιαίτερης δυναμικής που παρουσιάζει ο συνδυασμός διαφορετικών τεχνικών μοριακής προσομοίωσης, με έμφαση στη μοριακή δυναμική, ως μία αποτελεσματική μεθοδολογία όχι μόνο για τη μελέτη αλλά και τη βελτίωση υλικών και διεργασιών. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η δομή διαφορετικών συστημάτων, από νανοπορώδεις φορείς ουσιών/ροφητές έως βιολογικές μεμβράνες (λιπιδιακές διπλοστοιβάδες) αλλά και διερευνήθηκε η συμπεριφορά τους σε σημαντικές διεργασίες (π.χ. φαρμακευτικού αλλά και γενικότερου βιομηχανικού ενδιαφέροντος) στις οποίες συμμετέχουν. Οι λιπιδιακές διπλοστοιβάδες είναι το κύριο συστατικό πολλών οργάνων/οργανιδίων του οργανισμού (κυτταρικών μεμβρανών, στοιβάδων του δέρματος κλπ.) και θεωρούνται υπεύθυνες για τη ρύθμιση των αντίστοιχων διεργασιών μεταφοράς μάζας ουσιών. Από την άλλη πλευρά, τα νανοπορώδη υλικά (πυριτίας, μεταλλο-οργανικά πλέγματα κλπ.) αποκτούν ολοένα αυξανόμενο ενδιαφέρον ως η βάση νέων φαρμακοτεχνικών μορφών καθώς έχει αποδειχθεί ότι επιτρέπουν την εγκλεισμό επαρκών ποσοτήτων δραστικών ουσιών αλλά και συμβάλλουν στον έλεγχο του ρυθμού χορήγησής τους. Στο πλαίσιο αυτό η παρούσα εργασία εστίασε κατ' αρχήν στην εφαρμογή της μοριακής προσομοίωσης για τη μελέτη διεργασιών και επιμέρους συστημάτων που σχετίζονται άμεσα με την τεχνολογία διαδερμικής χορήγησης φαρμακευτικών ουσιών. Αφενός μελετήθηκε η δομή λιπιδιακής φάσης, αντιπροσωπευτικής της κερατίνης στοιβάδας (εξωτερική στοιβάδα) του δέρματος, καθώς και η διάχυση/διαπερατότητα πρότυπης φαρμακευτικής ουσίας (ιμπουπροφένη) σε αυτή αλλά και σε νανοπορώδεις μήτρες π.χ. τύπου MCM-41, οι οποίες μελετούνται ευρέως τα τελευταία χρόνια για το σκοπό αυτό. Τα επιμέρους αυτά συστήματα προσομοιώθηκαν στον υπολογιστή (με τη χρήση κατάλληλων παραδοχών) συνδυάζοντας απλές και προηγμένες τεχνικές μοριακής προσομοίωσης. Στη μοριακή προσομοίωση, ο τρόπος που εισάγεται στον υπολογιστή η “φυσική” του συστήματος, είναι η μοντελοποίηση του συνόλου των αλληλεπιδράσεων που το χαρακτηρίζουν. Μία από τις σημαντικότερες φάσεις της παρούσας εργασίας ήταν η επιλογή της ορθής μοντελοποίησης του συγκεκριμένου τύπου των λιπιδίων που μελετήθηκαν. Μετά από συγκριτική μελέτη, με Μοριακή Δυναμική, πέντε δυναμικών αλληλεπίδρασης (εξειδικευμένων σε βιολογικά μόρια), επελέγη το δυναμικό CHARMM για τη συνέχεια της μελέτης, λόγω της καλύτερης επίδοσής του. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η ακρίβεια της αναπαράστασης της δομής διπλοστοιβάδας που σχηματίζουν τα λιπίδια παρουσίας νερού. Η a-priori τοποθέτηση των λιπιδίων σε διαμόρφωση διπλοστοιβάδας (η οποία επιλέγεται ως αρχική κατάσταση στην πλειοψηφία των σχετικών εργασιών της βιβλιογραφίας) μπορεί να οδηγήσει σε μετασταθή κατάσταση ισορροπίας για το μελετούμενο σύστημα. Προκειμένου να ελεγχθεί το ενδεχόμενο αυτό, επιδιώχθηκε η δημιουργία δομής διπλοστοιβάδας ξεκινώντας τις προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής από τυχαίες χωρικές κατανομές των λιπιδίων και νερού, με χρήση δυναμικών “αδρών κόκκων” (MARTINI), όπου άτομα ομαδοποιούνται σε μεγάλα κέντρα αλληλεπίδρασης, επιτυγχάνοντας έτσι την μελέτη μεγαλύτερου συστήματος από άποψη κλίμακας μήκους και χρόνου. Επειδή η συγκεκριμένη μοντελοποίηση δεν είναι λεπτομερής, προκειμένου να μελετηθούν οι δομές που προέκυψαν, έγινε “χαρτογράφηση” των κέντρων αλληλεπίδρασης προς τα πίσω σε πλήρη ατομιστική περιγραφή. Η μελέτη των δομών που προέκυψαν με την μεθοδολογία αυτή έδειξε μικρές δομικές διαφορές σε σχέση με τις δομές που προκύπτουν από a-priori τοποθέτηση των λιπιδίων σε διαμόρφωση διπλοστοιβάδας, οι οποίες είναι δυνατό να επηρεάσουν τα αποτελέσματα των υπολογισμών. Επιπλέον, στις παραπάνω δομές υπολογίστηκε με προχωρημένες τεχνικές μοριακής προσομοίωσης (Δειγματοληψία Κάλυψης - Umbrella Sampling), η αντίσταση διείσδυσης στη μεμβράνη του μορίου της ιμπουπροφένης, ενός φαρμακευτικού μορίου που έχει ενδιαφέρον και για διαδερμική εφαρμογή. Αν και οι δομικές διαφορές μεταξύ των αρχικών διαμορφώσεων των διπλοστοιβάδων ήταν μικρές, βρέθηκε να επιδρούν σημαντικά στην διαπερατότητα της μεμβράνης, με την δομή που αυτο-οργανώθηκε να προβάλει την μικρότερη αντίσταση, και να είναι ανεξάρτητη από το είδος των λιπιδίων που απαρτίζουν την μεμβράνη. Η διαφορετική συμπεριφορά των συστημάτων, αναδεικνύει το πρόβλημα της αναπαράστασης της δομής σε υπολογιστικές μελέτες. Παράλληλα μελετήθηκε το σύστημα MCM-41 / ιμπουπροφένης. Το MCM-41 μελετάται εκτενέστατα τα τελευταία χρόνια ως υποψήφιος φορέας δραστικών ουσιών και χρησιμοποιείται ως βάση σύγκρισης για την ανάπτυξη νέων φορέων. Η μελέτη του συστήματος έγινε με απλές και προχωρημένες τεχνικές μοριακής προσομοίωσης (Δειγματοληψία Κάλυψης - Umbrella Sampling) και σ' αυτή την περίπτωση, με χρήση του δυναμικού αλληλεπίδρασης CHARMM. Το σύστημα προσομοιώθηκε για την κατάσταση αποθήκευσης και μεταφοράς (κορεσμένος πόρος με ιμπουπροφένη) και αποδέσμευσης σε υδατικό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα έδειξαν εξάρτηση του συντελεστή μοριακής διάχυσης τόσο με την συγκέντρωση της ουσίας μέσα στον πόρο, όσο και με το περιβάλλον. Επιπλέον, προέκυψαν σημαντικά στοιχεία για τον μηχανισμό εκρόφησης της ιμπουπροφένης σε υδατικό περιβάλλον, καθώς τα μόρια του νερού φαίνεται να λειτουργούν ανταγωνιστικά ως προς τη δημιουργία δεσμών υδρογόνου με τις ομάδες -OH του τοιχώματος του πόρου σε σχέση με την ιμπουπροφένη.Στην περίπτωση των νανοπορωδών φορέων δραστικών ουσιών, η αλληλεπίδραση των ατόμων της επιφάνειας του στερεού με τα μόρια της ουσίας επηρεάζουν τον μηχανισμό τόσο του εγκλεισμού όσο και της αποδέσμευσης του φαρμάκου. Το βασικό δομικό χαρακτηριστικό, μεταξύ άλλων, των φορέων αυτών είναι η τιμή της επιφάνειας ΒΕΤ, η οποία προκύπτει από δεδομένα ρόφησης/εκρόφησης αζώτου στους 77K. Ειδικά στην κλίμακα μικροπορωδών υλικών, όπως τα MOFs, τα οποία επίσης εξετάζονται τα τελευταία χρόνια ως νανοφορείς φαρμάκων (και ιμπουπροφένης), η χαμηλή επαναληψιμότητα των πειραματικών μετρήσεων της ειδικής επιφάνειας αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα. Για τον όσο το δυνατό ακριβέστερο χαρακτηρισμό των νανοπορωδών δομών που μελετήθηκαν (και ο οποίος προαπαιτείται για την προσομοίωση διεργασιών) στα πλαίσια της εργασίας αναπτύχθηκε επίσης μία νέα υπολογιστική μεθοδολογία, η οποία επιτρέπει τον εύκολο και γρήγορο υπολογισμό της εσωτερικής επιφάνειας του στερεού βάσει των αλληλεπιδράσεων αζώτου με τα μόρια του στερεού. Η αξιολόγηση της μεθοδολογίας έγινε με υπολογισμό της επιφάνειας σε μια σειρά από MOFs με την μεθοδολογία που αναπτύχθηκε και με εκτέλεση υπολογιστικού πειράματος ρόφησης (Grand Canonical Monte Carlo (GCMC)) και υπολογισμό της επιφάνειας ΒΕΤ. Τα δυναμικά που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα UFF, PEA για το στερεό και το άζωτο αντίστοιχα. Η μεθοδολογία είχε μέση απόκλιση 15% και ήταν ταχύτερη κατά 10 φορές για κάθε σημείο πίεσης (μία προσομοίωση GCMC), κι έτσι μπορεί να χαρακτηριστεί ικανό υπολογιστικό εργαλείο χαρακτηρισμού πορωδών υλικών.