Název projektu
Počítačový molekulární design nanomateriálů
Kód
SP2012/47
Předmět výzkumu
Řešení struktury fotokatalytických a antibakteriálních nanokompozitů, struktury nanokompozitů na bázi interkalovaných a povrchově vrstevnatých fylosilikátů a struktury nových lékových forem s polymerními nosiči užitím počítačového molekulárního modelování.
Předkládaný projekt, jenž navazuje na předcházející projekty „Počítačový design nanomateriálů“ (řešeno 2010) a „Počítačový design funkčních nanostruktur“ (řešeno 2011), je zaměřen na využití molekulárního modelování pro design čtyř typů funkčních nanostruktur:
(1) nanokompozity na bázi vrstevnatých silikátů, jež slouží jako matrice pro kotvení a růst nanočástic oxidů kovů s fotokatalytickými a antibakteriálními vlastnostmi;
(2) nanokompozity na bázi vrstevnatých silikátů, interkalovaných a povrchově modifikovaných organickými látkami, či na bázi SiO2, povrchově modifikovaného organickými látkami;
(3) nanokompozity na bázi vrstevnatých silikátů, interkalovaných a povrchově modifikovaných organickými látkami za přítomnosti nanočástic oxidů kovů s fotokatalytickými a antibakteriálními vlastnostmi;
(4) nové lékové formy, využívající gelů a biodegradabilních polymerů jako nosičů léčiv.
Stejně jako v obou předchozích projektech budou všechny výpočty i nyní prováděny v těsné součinnosti s vyvíjenou technologií. Cílem tedy zůstává optimalizace technologických postupů a možnost dopředu vyloučit postupy, které nevedou k žádanému cíli. Tato predikční schopnost je u molekulární mechaniky a klasické molekulární dynamiky dána použitím empirických silových polí, jež popisují energii simulovaného systému. Silová pole umožňují studovat a optimalizovat modely s mnoha tisíci atomy, tedy modely zcela neřešitelné kvantově chemickými výpočty. Přitom je to právě velikost, která umožňuje věrný popis reálných struktur. Vyřešení struktury a pochopení jejího vztahu k pozorovaným vlastnostem je cestou k syntéze funkčních nanomateriálů. Jelikož většinou máme v materiálovém výzkumu co do činění se strukturami bez dokonalé 3D periodicity (a tedy příliš neuspořádaných pro difrakční techniky), je počítačové molekulární modelování jediným účinným nástrojem k řešení struktur těchto systémů.
Modelování bude prováděno v modelovacím prostředí Accelrys Materials Studio. Pro specifické úlohy byly v rámci projektu „Počítačový design funkčních nanostruktur“ vytvořeny vlastní algoritmy, jež budou v rámci předkládaného projektu dále testovány a optimalizovány. Práce na předchozích projektech nám umožnila nalézt a úspěšně otestovat vhodné modelovací strategie pro fotokatalytické a antibakteriální nanokompozity, pro nanokompozity na bázi jílů, povrchově modifikovaných a interkalovaných organickými látkami, a pro nové lékové formy na bázi polymerních a gelových nosičů léčiv. Tyto strategie budou využity i v rámci tohoto projektu a dále bude vytvořena modelovací strategie pro nanokompozity na bázi interkalovaných vrstevnatých silikátů s nanočásticemi oxidů kovů. Poprvé tak budeme s použitím počítačového molekulárního modelování zkoumat kompozit na bázi vrstevnatého silikátu, který obsahuje jak organickou (polymerní) tak anorganickou (krystalickou) složku.
V případě polymerních nosičů léčiv budou zkoumány jejich dosud nesimulované strukturní formy (dendrimery a polymerní sítě) v bezvodém a vodném prostředí při různých teplotách. U směsí gelových nosičů bude řešena aktuální problematika přítomnosti alifatických uhlovodíků a jejich vliv na soudržnost gelových klastrů.
Postup řešení: Využití empirických silových polí pro výpočet energie systému klade velké nároky na strategii modelování, jež musí být podpořena experimentálními daty z analýz reálných vzorků. Obecné rysy této strategie jsou: (1) generování iniciálních modelů, (2) jejich parametrizace, (3) volba optimalizačních postupů a (4) konfrontace výsledků s experimentem.
Součástí strategie modelování nanokompozitů typu „nanočástice TiO2 - silikát“ bude stavba modelů s nanočásticemi TiO2 v mezivrství matrice. Oproti předchozím projektům řešena problematika tzv. pilířování (zvětšování mezivrství matrice vlivem růstu nanočástic). Sledovány budou tvar a velikost pilířů, vzájemná orientace krystalových ploch na rozhraní pilíř-matrice a adhezní energie pilíř-matrice. Do mezivrství vybraných modelů budou následně přidány polymery. Modelování nanokompozitů typu „nanočástice TiO2 a polymerní řetězce - silikát“ bude sledovat vliv pilířů na uspořádání polymerních řetězců v mezivrství a zodpoví otázku, jak efektivně lze pilířováním matrice zvýšit poměr množství polymerních řetězců v mezivrství oproti povrchu Modelování nanokompozitů bude rozšířeno o simulaci RTG difrakce. Simulované difraktogramy budou srovnávány s difraktogramy reálných vzorků, což pomůže osvětlit jejich vnitřní strukturu.
Modelování nanokompozitů na bázi interkalovaných silikátů bude sledovat vliv délky polymerů a vliv přítomnosti dalších produktů polymerace na strukturu a interakční energii mezi vrstvami matrice a polymery. Předchozí modely budou modifikovány následovně: (a) změna délky polymerů, (b) přidání další produktů polymerace (síran amonný či kys. sírová). Modifikované modely budou konfrontovány s experimentálními daty za účelem vytvoření doporučení pro technologii přípravy. Nově budou studovány modely polymerní vrstvy na povrchu skla. Pozornost bude věnována (a) interakční energii polymer-sklo, (b) tloušťce vrstvy a (d) uspořádání polymerů ve vrstvě.
Modelování polymerních nosičů léčiv bude řešit dosud nesimulované strukturní formy polymerů (dendrimer, polymerní síť). Strukturní a energetické charakteristiky těchto forem (míra aglomerace, hydrofilita, energie a typ interakce nosič-léčivo) budou s použitím molekulární dynamiky srovnány s dosud studovanými polymery ve formě vláken. Léčivo cyklosporin bude dále nahrazeno dalšími léčivy (kys. acetylsalicylová, paracetamol, ibuprofen atd.). Na základě získaných výsledků budou navrženy vhodné typy polymerních nosičů pro tato široce využívaná léčiva.
Modelování gelových nosičů léčiva cyklosporin s přídavkem alifatických uhlovodíků bude studovat vliv přítomnosti uhlovodíků na stabilitu nosičů a interakci gel-léčivo. K modelům gelových směsí, studovaných dříve, budou přidány uhlovodíky délky cca C20H42. S použitím molekulární dynamiky pak bude studován jejich vliv na chování těchto směsí ve vodném prostředí a na intenzitu interakce cyklosporin – gel. Výsledky budou využity v průmyslové výrobě.
Rok zahájení
2012
Rok ukončení
2012
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
Řešitel