بخشی از مقاله
چکیده
ساختار های خود اجتماع یافته ی مولکول های زیستی در صنعت دارو رسانی کاربرد قابل توجهی دارند. در میان این ساختارها مایسل های کوپلیمری به علت ابعاد نانو متری در درمان سرطان از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند. در این مقاله سه کوپلیمر آمفیفیل با طول یکسان و نسبت های متفاوت از زنجیره آبدوست و آبگریز به وسیله شبیه سازی دینامیک مولکولی درشت دانه مطالعه می شوند. فرآیند زمانی تشکیل نانوساختار و شکل نهایی آن مورد بررسی قرار می گیرد و قطر میانگین کل نانوساختار و هسته آبگریز آن محاسبه می شوند. قطر مایسل و هسته آبگریز آن به دو روش با استفاده از تابع توزیع شعاعی و مختصات ذرات بدست می آید. با کاهش طول زنجیره آبدوست به ترتیب مایسل های کروی متقارن، کروی کشیده و بیضی گون پهن مشاهده می شوند. همچنین اندازه نانوساختار حاصل و پایداری آن با کاهش طول زنجیره آبدوست افزایش می یابد.
مقدمه
مولکول های آمفیفیل ها به مولکول هایی گفته می شود که از نظر برهم کنش با مولکول های قطبی به دو بخش آبدوست و آبگریز تقسیم می شوند. آمفیفیل ها به دلیل حضور همزمان دو خاصیت آبدوستی و آبگریزی، نانوساختارهای گوناگونی مانند نانومایسل کروی، استوانه ای و غشای دو لایه تشکیل می دهند. بخش آبدوست پوسته و بخش آبگریز هسته ی مایسل را تشکیل می دهند .[1] از مایسل های پلیمری در مقیاس 10 -100 نانومتر انتظار می رود که جذبشان توسط سیستم بیگانه خوار بدن کاهش پیدا کند و بتوانند بافت های ملتهب و سرطانی را از طریق افزایش نفوذ مورد حمله قرار دهند .>2@ به منظور بررسی تاثیر تغییر طول زنجیره ی آبگریز و آبدوست بر ساختار نهایی، فاکتور fphil را تعریف می کنیم: ℎ ℎ = ℎ + ℎ
که Nphil و Nphob به ترتیب تعداد مونومرهای بخش آبدوست و آبگریز هستند. در شبیه سازی ها، این فاکتور را در سه محدوده متفاوت ℎ >60%، 45% < ℎ < 55% و ℎ < 45 در
نظر گرفته و نانوساختار حاصل را بررسی می کنیم. انتظار می رود که در این سه بازه به ترتیب نانومایسل های کروی، استوانه ای و غشای دولایه مشاهده شوند .[3]
روش شبیه سازی
برای مطالعه این سیستم از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی درشت دانه استفاده شده است. در این کار از بسته شبیه سازی اسپرسو استفاده شده است. تعداد 400 ملکول آمفیفیل را در جعبه ی شبیه سازی با ابعاد 100 وارد می کنیم. اندازه یک مونومر و واحد طول شبیه سازی است. کلیه مونومرها با یکدیگر برهمکنش غیر پیوندی لنارد-جونز دارند. جاذبه بین مونومرهای آبدوست با بریدن و شیفت دادن پتانسیل لنارد-جونز حذف می شود. برهمکنش لنارد-جونز بین مونومرهای آبگریز تا فاصله 20 محاسبه می شود - کلیه طول ها در این مقاله در مقیاس طول شبیه سازی بیان شده اند - . برهمکنش پیوندی بین مونومرهای پلیمر از نوع هارمونیک است.
1 - - = 2 - − - 2 - 2 -
K ثابت فنر برابر با 70 ⁄ 2 قرار داده شده است. برای مدلسازی در آنسامبل NVT، از ترموستات لانژون در دمای ⁄ استفاده می کنیم. واحد زمان شبیه سازی برابر با فرمول زیر است .
- 3 - 2 = √
که جرم مونومرهاست. تعداد کل مونومرهای هر پلیمر - آبدوست و آبگریز - جمعا در همه شبیه سازی ها برابر 20 است.
سه سیستم زیر هرکدام با نسبت متفاوت برای طول زنجیره آبدوست به تعداد صد هزار واحد زمان شبیه سازی انتگرال گیری شده اند:
Nphob=7 , Nphil=13 -1 با fphil>60%
Nphob=10, Nphil=10 -2 با 45%<fphil<55%
Nphob=12 , Nphil=8 -3 با fphil<45%
در ابتدای شبیه سازی مولکول های آمفیفیل روی یک شبکه به گونه ای که سر های آبدوست مقابل هم قرار بگیرند چیده شده اند . با استفاده از مختصات مونومرها در آخرین قدم شبیه سازی، تابع توزیع شعاعی مونومرهای آبگریز و آبدوست محاسبه می شود. قطر میانگین مایسل و هسته آن با استفاده از مختصات ذرات سازنده آنها و میانگین گیری در جهات مختلف بدست می آید.
نتایج شبیه سازی
> % -1 ساختار شبکه ای از ابتدای شبیه سازی به چهار دسته تقسیم می شود که هر دسته در قدم های بعدی به صورت یک مایسل می شود. این مایسل ها از پایداری نسبتا کمی بر خوردارند و با گذشت زمان تعدادی از مولکول های آمفی فیل به صورت تصادفی از هر کدام از آنها جدا می شوند. یکی از مایسل ها به مرور زمان کاملا از بین می رود و در نهایت درون جعبه ی شبیه سازی اصلی، سه مایسل و مولکول های آمفیفیل منفرد پراکنده باقی می مانند - شکل . - 1
شکل :1 نمای جعبه شبیه سازی اصلی . مونومرهای آبگریز با آبی و مولکول های آبدوست با قرمز نشان داده شده اند.
قطر متوسط سه مایسل برابر 22.22 و 19.2 و 19.76 است و قطر متوسط هسته آنها برابر 10.2 می باشد.
شکل :2 تابع توزیع مونومرهای آبگریز و آبدوست
تابع توزیع مونومرهای آبگریز که هسته مایسل را تشکیل می دهند در فاصله برابر 10 صفر می شود - شکل . - 2 این عدد بسیار نزدیک به قطر متوسطی است که برای هسته مایسل ها بدست می آید. تابع توزیع مونومر های آبدوست در فاصله 20 صفر می شود، که بسیار نزدیک به قطر متوسط مایسل ها 20.39 است.
% < < % - 2
پس از افت و خیز های زیاد، ساختار اولیه شبکه به دو قسمت تقسیم می شود، که این دو قسمت بعد از مدت کمی تشکیل مایسل هایی نامتقارن و کمی کشیده می دهند. فاصله این دو مایسل در ادامه شبیه سازی تقریبا ثابت می ماند، که نشان دهنده وجود جاذبه بین هسته آبگریز آنهاست. اگرچه جاذبه بین تک تک مونومرهای آبگریز سازنده هسته ها در این فاصله بسیار اندک است ولی مجموع جاذبه ناشی از آنها می تواند قابل توجه باشد. این نکته اهمیت در نظر گرفتن برهمکنش لنارد-جونز تا فواصل شعاعی بلندتر در شبیه سازی ها را نشان می دهد. از کل 400 مولکول تنها دو مولکول در ساختار مایسل ها شرکت نمی کنند - شکل . - 3 قطر میانگین دو مایسل در صفحه ی y-z برابر با 25.39 و 23.93 و در صفحه x-y برابر با 25.04 و 25.55 است. این اندازه ها کشیدگی اندک مایسل دوم را تا حدی نشان می دهند. قطر میانگین آنها در سه بعد به ترتیب 25.9 و 25.5 است. قطر میانگین هسته ها برابر 15.2 و 13.04 است.
شکل :4 تابع توزیع شعاعی مونومرهای آبگریز و آبدوست
تابع توزیع مونومرهای آبدوست و آبگریز به ترتیب در فاصله 25 و 14 صفر می شوند - شکل . - 4 این مقادیر برابر با قطر متوسط مایسل ها و قطر متوسط هسته آنها 25.22 - و - 14.13 است.
< % - 3
مولکول ها در مکان اولیه شان افت و خیز می کنند و ساختار ابتدایی تقسیم نمی شود. بعد از افت و خیزهای بسیار و در قدم های پایانی، این ساختار به مایسل کروی و سپس به بیضی گون پهن تبدیل می شود. در ادامه شبیه سازی، چندین بار ساختار کروی به بیضی و برعکس تبدیل می شود. بیضی گون پهن نهایی را می توان مشابه به یک غشای دو لایه کوچک دانست. - شکل. - 3
شکل :5 نمای استوانه ی پهن. از راست به چپ ارتفاع و سطح مقطع استوانه
شکل :3 نمای جعبه شبیه سازی. مونومرهای آبگریز و آبدوست به ترتیب با نشان داده شده اند. با چرخش سه بعدی ساختار استوانه، میانگین ارتفاع استوانه نهایی آبی و قرمز نشان داده شده اند. برابر با 31.19 و طول و عرض میانگین سطح مقطع آن برابر
