Μελέτη των φυσικοχημικών ιδιοτήτων συστημάτων υπερδιακλαδισμένων πολυμερών και συμπλεγμάτων τους με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής
Creators: name: Τάνης, Ιωάννης Ε.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2009
Subjects: Υπερδιακλαδισμένα πολυμερή
Δενδριμερή
Μοριακή δυναμική
Τήγματα
Συμπλέγματα
Δεσμοί υδρογόνου
Hyperbranched polymers
Dendrimers
Molecular dynamics
Melts
Complexes
Hydrogen bonds

description: Οι προσομοιώσεις κλασσικής μοριακής δυναμικής προσφέρουν σημαντική βοήθεια στην κατανόηση της συμπεριφοράς συστημάτων υπερδιακλαδισμένων πολυμερών, ιδιαίτερα όταν διεξάγονται σε πλήρως ατομιστική λεπτομέρεια. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε αρχικά η συμπεριφορά τηγμάτων δύο εμπορικά διαθέσιμων υπερδιακλαδισμένων πολυμερών με την εμπορική ονομασία Hybrane®1200 και (Boltorn ®) Η20 και Η30. Το πεδίο δυναμικού που επιλέχθηκε σε συνδυασμό με το πρωτόκολλο προσομοίωσης που ακολουθήθηκε, βρέθηκε ότι αναπαράγει σε ικανοποιητικό βαθμό πειραματικά δεδομένα για το υπερδιακλαδισμένο πολυμερές Hybrane®1200. Με βάση τη συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα, ερευνήθηκαν στατικές και δυναμικές ιδιότητες σε διάφορες χωρικές και χρονικές κλίμακες, καθώς και η δυνατότητα του μορίου να σχηματίζει υδρογονικούς δεσμούς. Μέσω της συσχέτισης των μέσων χρόνων ζωής ενδομοριακών υδρογονικών δεσμών μεταξύ ομάδων της περιφέρειας του μορίου με τη χρονική κλίμακα διακυμάνσεων μεγέθους/σχήματος, η δυνατότητα σχηματισμού των πρώτων συνδέθηκε στενά με τα χαρακτηριστικά διαμόρφωσης του μορίου. Η δυναμική του μορίου σε τοπική κλίμακα (επαναπροσανατολισμός δεσμών της ¨ραχοκοκκαλιάς¨ και της επιφάνειας του μορίου) αλλά και σε χωρική κλίμακα της τάξης του μεγέθους του μορίου (διακυμάνσεις γυροσκοπικής ακτίνας, συνολική περιστροφή του μορίου), βρέθηκε ότι ακολουθεί παρόμοια θερμοκρασιακή εξάρτηση με αυτή του μακροσκοπικού ιξώδους του μορίου. Ακολουθώντας το ίδιο πρωτόκολλο προσομοίωσης μελετήθηκε η δυναμική συμπεριφορά σε τοπική κλίμακα τηγμάτων υπερδιακλαδισμένων πολυεστέρων Boltorn® διαφορετικών (ψευδο)γενεών που φέρουν τερματικές ομάδες υδροξυλίων, με ιδιαίτερη έμφαση στην μελέτη του σχηματισμού δεσμών υδρογόνου τόσο σε ενδομοριακό όσο και σε διαμοριακό επίπεδο. Διαπιστώθηκε ότι ο υπερδιακλαδισμένος πολυεστέρας μικρότερου μεγέθους εμφανίζει πολύ βραδύτερη δυναμική επαναπροσανατολισμού δεσμών στους οποίους μετέχουν άτομα που παίρνουν μέρος σε δεσμούς υδρογόνου. Αυτή η συμπεριφορά αποδόθηκε στην πολύ μεγαλύτερη τάση του μικρότερου υπερδιακλαδισμένου για σχηματισμό ενδομοριακών δεσμών υδρογόνου μεταξύ των υδροξυλικών υδρογόνων και των υδροξυλικών οξυγόνων. Το τελευταίο εύρημα προσέφερε μια νέα βάση εξήγησης σχετικών πειραματικών παρατηρήσεων, όπου σημειώθηκε ότι η δυναμική των υδροξυλικών ομάδων που σχετίστηκε με την διεργασία αποκατάστασης γ (δυναμική υδροξυλομάδας), είχε χαρακτηριστικά μιας πιο περιορισμένης και/ή πιο συνεργατικής κίνησης στον πολυεστέρα H20 συγκρινόμενη με αυτήν που ανιχνεύθηκε στο μοντέλο H30. Στη συνέχεια εξετάστηκαν υδατικά διαλύματα πολυαμιδοαμινικού (PAMAM) δενδριμερούς διαφορετικών γενεών (3ης και 4ης) παρουσία ή όχι γραμμικής αλυσίδας πολυαιθυλενοξειδίου (PEO) σε διαφορετικές συνθήκες pH. Εξετάστηκαν στατικές/γεωμετρικές ιδιότητες, ενδο- και διαμοριακές αλληλεπιδράσεις δεσμών υδρογόνου στις οποίες συμμετέχουν χαρακτηριστικές ομάδες του δενδριμερούς, το νερό αλλά και το γραμμικό πολυμερές, καθώς και η δυναμική σε τοπική κλίμακα μέσω του επαναπροσανατολισμού χαρακτηριστικών δεσμών των πολυμερών. Παρατηρήθηκαν ουσιώδεις μεταβολές στην κατανομή πυκνότητας των δενδριμερών μετά την πρωτονίωση των πρωτοταγών και τριτοταγών αμινών οι οποίες δεν συνοδεύτηκαν από ανάλογες μεταβολές στο σχήμα τους όπως έχει παρατηρηθεί και σε πειραματικές έρευνες. Τα συστήματα 4ης γενιάς παρουσίασαν μεγαλύτερη απόκριση ως προς την εσωτερική διαμόρφωση. Η εξερεύνηση της δυνατότητας των μοντέλων να σχηματίζουν ενδο- και διαμοριακούς δεσμούς υδρογόνου έδειξε ότι η σύζευξη αυτού του είδους μεταξύ τμημάτων του δενδριμερούς αλλά και μεταξύ του δενδριμερούς και του PEO ή των μορίων νερού μπορεί να διαδραματίσει ουσιαστικό ρόλο στην ικανότητα τέτοιων συστημάτων να σχηματίζουν συμπλέγματα με ουσίες που έχουν την ίδια δυνατότητα, καθώς και στα χαρακτηριστικά των διαμορφώσεων των δενδριτικών μορίων. Αποκτώντας πληροφορίες για τις ιδιότητες των υδατικών διαλυμάτων του PAMAM δενδριμερούς καθώς και για τα χαρακτηριστικά των αλληλεπιδράσεων δεσμών υδρογόνου σε ενδομοριακό και διαμοριακό επίπεδο, ερευνήθηκαν στη συνέχεια οι συνθήκες της σύζευξής του με το αντιφλεγμονώδες φάρμακο ibuprofen. Ο συνδυασμός των αποτελεσμάτων της στατικής και δυναμικής ανάλυσης που πραγματοποιήθηκε αποκάλυψε πως, σε διαφορετικές συνθήκες pH, διαφορετικοί μηχανισμοί ευθύνονται για το σχηματισμό συμπλεγμάτων δενδριμερούς/φαρμάκων σε υδατικά συστήματα. Στην περίπτωση βασικού pH όπου λαμβάνει χώρα ιονισμός του φαρμάκου, η σύζευξη μεταξύ των δύο ενώσεων ήταν ιονικής φύσεως ενώ σε φυσιολογικό pH οφείλεται σε αλληλεπιδράσεις δεσμών υδρογόνου μεταξύ χαρακτηριστικών ομάδων του δενδριμερούς και του φαρμάκου. Σε όξινο pH αντίθετα δεν παρατηρήθηκε σύζευξη των δύο ουσιών. Τα αποτελέσματα βρίσκονται σε καλή συμφωνία με σχετικές πειραματικές μελέτες Για να εξεταστεί και η ικανότητα ατελώς διακλαδισμένων πολυμερών να σχηματίζουν συμπλέγματα με φαρμακευτικές ουσίες χαμηλής διαλυτότητας, επιχειρήσαμε την έρευνα των συνθηκών σύζευξης υπερδιακλαδισμένων πολυεστέρων Boltorn ® με το φαρμακευτικό μόριο shikoninn μέσω αλληλεπιδράσεων δεσμών υδρογόνου σε περιβάλλον αιθανόλης. Από την αρχική ανάλυση που έχει πραγματοποιηθεί, προκύπτει ότι η σύζευξη πολυμερούς-φαρμάκου εξαρτάται από την τοπολογία του πολυεστέρα και τη συγκέντρωση του διαλύματος
description: In this work, classical molecular dynamics simulations were employed in fully atomistic representation, in order to shed light into the behavior of systems comprised by hyperbranched polymers, at different physical conditions. To obtain a better insight regarding the effects of hyperbranched topology and of the chemical nature of the functional groups, we initially studied melt samples of commercially available hyperbranched polymers bearing the commercial names Hybrane®1200 and Boltorn®Η20-Η30. The forcefield employed combined with the simulation protocol followed, was found to satisfactorily reproduce relevant experimental findings. Based on the agreement with experimental data, we explored static and dynamic properties of the hyperbranched molecules in different time- and lengthscales as well as their ability to form intra- and intermolecular hydrogen bonds. For the hyperbranched poly(esteramide) sample (Hybrane), the average lifetimes of intramolecular hydrogen bonds between hydroxyl oxygens and hydroxyl hydrogens were found to be similar to the relaxation times of size/shape fluctuations implying a correlation of intramolecular hydrogen bonding with the molecules’ conformational features. Dynamics at local (probed through the reorientation of backbone and terminal bonds) and global scale (size/shape fluctuations, overall rotational motion) was found to follow to a good approximation the temperature dependence of the experimentally determined macroscopic viscosity. Adopting the same simulation protocol, we studied melt samples of different (pseudo)generations of hyperbranched polyesters (Boltorn ®Η20-Η30) bearing hydroxyl terminal groups, focusing on the role of the hydrogen-bonding capabilities of the examined systems and the impact in their local dynamic response. It was found that the lower generation polyester exhibited much slower bond reorientational dynamics. This behaviour was attributed to the higher degree of hydrogen bonding between the hydroxyl oxygens and hydroxyl hydrogens giving a new basis for the explanation of relevant experiments, reporting that dynamics of hydroxyl groups which was associated with the γ relaxation process, had the characteristics of a more constricted and/or more cooperative motion in the H20 polyester compared to that detected in the H30 or higher generation polyesters of the same family. We then proceeded to the examination of aqueous solutions of different generation PAMAM dendrimers with or without the presence of poly (ethylene oxide) (PEO) chains at different pH conditions. We explored structural properties, PAMAM-water, PAMAM-PEO and PAMAM intramolecular hydrogen bonding interactions as well as local scale dynamics of polymer molecules through the reorientation of specific bonds. Upon protonation of PAMAM primary and tertiary amines, drastic changes in density distribution took place, not accompanied by analogous changes in the dendrimer shape anisotropy. Higher generation dendrimers exhibited a greater response to the changes in the surrounding environment and a higher degree of counterion penetration. Exploration of the intra- and intermolecular hydrogen bonding properties of the systems showed that this kind of association between different parts of the dendrimer and between PAMAM/PEO or PAMAM/water can play a significant role on the ability of such systems to form complexes with systems having the same features as well as on their configurational characteristics. After collecting information regarding the behavior of aqueous solutions of PAMAM dendrimers and their hydrogen bonding capabilities, we explored the nature of the association of PAMAM dendrimers with a weakly acidic anti-inflammatory drug, ibuprofen. Static and dynamic analysis revealed that, at different solution pH, different mechanisms govern the association between the two moieties. More specifically, at high solution pH, where the drug molecule becomes ionized, dendrimer appears to form stable complexes with the drug molecules through ionic interactions between surface amines and drugs’ carboxylate ion. As pH is lowered, the two species are complexed by the aid of hydrogen bonding interactions between characteristic groups. At low pH, no evidence of complexation between PAMAM and ibuprofen were detected. These results are consistent with relevant experimental findings, providing new routes for their interpretation. In order to explore the ability of a hyperbranched polymer to form complexes with poorly soluble drug compounds, we investigated the conditions under which hyperbranched polyesters Boltorn® can act as hosts for a wound healing drug, shikononn in ethanol solution. Preliminary analysis reveals that complexation between polymer/drug is highly dependent on the polymers’ topology and solution concentration