Моделирование механизмов поляризации фосфатов кальция (1103915)
Текст из файла
На правах рукописиПАРАМОНОВА Екатерина ВладимировнаМОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПОЛЯРИЗАЦИИФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯСпециальность 03.00.02 – БиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2008Работа выполнена в Институте математических проблем биологии РоссийскойАкадемии Наук.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,ведущий научный сотрудникБыстров Владимир СергеевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорКараваев Владимир Александровичдоктор химических наук,профессорКомиссаров Геннадий ГермановичВедущая организация:Институт биофизики клетки РАНЗащита диссертации состоится “2008 г.
в”часовна заседании Диссертационного Совета Д 501.002.11 при Московскомгосударственном университете им. М.В. Ломоносовапо адресу: Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова,физический факультет, аудиторияСдиссертациейможно.ознакомитьсявбиблиотекефизическогофакультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “2008 г.”Ученый секретарьДиссертационного Совета Д 501.002.11Доктор физико-математических наукГ.Б.
Хомутов2Общая характеристика работыОбъектом исследования был выбран фосфат кальция - гидроксилапатит, напротяжении последних трёх десятилетий выдвигаемый на первый план вкачестве заменителя кости. Характерной особенностью его структуры являетсясуществование цепочек диполей ОН- в колоннообразных каналах, образованныхатомами кальция и группами PO 43− . Перенос протонов в такой структуреобеспечивает поляризацию гидроксилапатита, что, в свою очередь, усиливаетэффективность нарастания костной ткани на его поверхности. В настоящеевремя активно развиваются исследования по переносу протонов в различныхбиологических, физических и композитных системах. Транспорт протонов посистеме водородных связей играет важнейшую роль как в биологическихсистемах, так и в различных твёрдотельных структурах.
При этом детальномеханизм переноса протона по каналам апатитной структуры ещё до конца неясен. Выяснение условий, необходимых для протонного транспорта в такомканале, позволит не только понять механизмы переноса заряда в структуреминеральной составляющей костной ткани позвоночных, но и даст новыйтолчок в развитии нанотехнологий, биомедицины и имплантантологии.Актуальность темыШирокие перспективы в области разработки биоматериалов связаны свнедрением биокерамики. Особый интерес представляют исследования,относящиеся к “регенерационному” подходу, при котором упор делается не назамещение костного дефекта постоянным имплантатом с подходящимимеханическими характеристиками, а на быструю биодеградацию материалаимплантата и последующую замену его костной тканью.Гидроксилапатит (Ca5(PO4)3(OH)), соответствует по структуре и составуминеральному компоненту кости и широко используется в хирургии и встоматологии для покрытия внутрикостной части имплантатов, заполнениядефектов кости.
К тому же, он является идеальным типом имплантанта – со3временем такой протез рассасывается при этом часть апатита идет наформирование новой собственной костной ткани.Способность гидроксилапатита стимулировать адгезию клеток костнойткани на поверхность улучшается при поляризации образца. Поляризацияповерхности апатита связана с переносом протонов по цепочкам гидроксил –ионов в каналах, являющихся наиболее важной особенностью его структуры.Таким образом, любая информация, которую можно получить об условиях вканалах, будет полезной для понимания переноса заряда вдоль канала. Такуюинформацию можно получить с помощью методов компьютерной химии. Так,на поверхность потенциальной энергии протона в канале влияют фосфатныегруппы (более того, один из возможных механизмов переноса протоназаключается в его прохождении через эту группу), а также примеси, например,фтора.В данной работе исследовались механизмы поляризации фосфатов кальция –гидроксилапатита и апатита с примесью фтора, определялись величиныэнергетических барьеров и возможные пути переноса протона по каналамапатитной структуры.Цель работыВыяснение физико-химических механизмов поляризации фосфатов кальция(гидроксилапатита), в том числе, посредством переноса протонов в егоструктуре, исследование влияния на процесс поляризации различных факторов(таких, как примеси в структуре и электрическое поле) является основнойцелью данной работы.Задачи работы.• анализ комплексов программ для решения поставленной задачи;• анализквантово-химическихметодов,которыеобеспечивалибынаиболее корректное решение поставленной задачи;• анализ и построение оригинальной модели структуры фосфата кальция –гидроксилапатита;4• установление на основе проведенных расчетов наиболее вероятныхмеханизмов поляризации гидроксилапатита;• анализ на основе проведенных расчетов влияния физиологическинаиболее значимой примеси в структуре апатита, а именно заменыкислорода во внутриканальной цепочке на фтор на энергетическиебарьеры в канале апатитной структуры;•анализ влияния электрического поля на профили потенциальной энергиив канале.Методы исследованияВ работе применялись программные комплексы HyperChem, Gaussian 98.Для визуализации использовались Facio, Gabedit, MolView.Научная новизна работыВпервыеквантово-химическимиметодамирассчитаныусловияворигинальной модели канала чистого гидроксилапатита, и в случае замещениягидроксильной группы ионом фтора.
Получены величины энергетическихбарьеров в разных кристаллографических фазах апатита для:• переносапротонавдольцепочкивканалегидроксилапатита;• переноса протона с участием атома кислорода изфосфатной группы;• переноса протона вдоль внутриканальной цепочки и сучастием кислорода из фосфатной группы для случаяпримеси фтора в цепочке ОН.Впервые проведена серия расчетов, учитывающих влияние электрическогополянапереноспротонавтакойсистеме.Полученныевеличиныэнергетических барьеров в случае наложения внешнего электрического поляхорошо согласуются с наблюдаемым в эксперименте длительным сохранениемполяризационного заряда.5В ходе выполнения работ впервые установлен важный размерный эффект:при уменьшении размеров кластера гидроксилапатита увеличивается егодипольный момент и поляризация; кроме того, дипольный момент такжеувеличивается при захвате оборванными связями протонов.
Однако, здесьобратный эффект – большой кластер при насыщении оборванных связей Н+поляризуется сильнее, что очень важно для практического применения.Полученные значения работы выхода хорошо согласуются с данными,полученными в результате экспериментов партнеров по проекту Европейскогосодружества NMP3-CT-2003- 504937 (PERCERAMICS), в рамках которогопроводилосьданноеисследование.Врезультатенашегочисленногоэксперимента показано также, что возникновение заряда на поверхности малых(нано)кластеровгидроксилапатитаобусловленовпервуюочередьразупорядочением поверхности.Научно-практическое значение работыРезультаты работы были использованы при выполнении работ по проектуЕвропейского содружества NMP3-CT-2003- 504937 (PERCERAMICS), в рамкахкоторого проводилось данное исследование.
Представленные в диссертацииданные необходимы для анализа экспериментальных данных при разработкебиоимплантантов на основе фосфатов кальция и способствуют более глубокомупониманию механизмов поляризации в структуре апатита. Также полученныерезультаты нашли применение при разработке технологии изготовленияматериалов для имплантантов с требуемыми физическими и химическимисвойствами.Личный вклад автораАвтором выполнены все расчеты и получены основные результатыдиссертации.
Автор активно участвовал в обсуждении полученных результатови их интерпретации на всех этапах исследования.Апробация работы и публикацииОсновные результаты диссертации были представлены на следующихконференциях:68-ая международная Пущинская конференция молодых ученых «Биология –наука 21-го века», 17-21 мая 2004 г., Пущино; XV Всероссийская конференция«Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов для решениязадач математической физики с приложением к многопроцессорнымсистемам», посвященная памяти К.И.Бабенко. Сентябрь 2004, Дюрсо;The 3rd Symposium “Micro- and Nanostructures of Biological Systems”, June, 2004,Halle (Saale), Germany;49th Annual Meeting of Biophysical Society,February 12-16, 2005; “MATERIALS 2005”.
XII Portuguese Materials SocietyMeeting March 20th –23rd;III International Materials Symposium. March 20th –23rd Aveiro, Portugal, 2005; 19th European Conference on Biomaterials, Sorento,Italy, 11-15 September 2005; 10-я Пущинская школа-конференция молодыхучёных, 17-21 апреля 2006г., Пущино; Int.
Congress of Biomechanics, Munchen,Germany, Julу 2006; Int. Congress of Biomed. Physics Seul, Koreya, August 2006;1th Int. Conference on Mathematical Biology and Bioinformatics, Pushchino, Russia,October 2006; 3rd Baltic conference of silicate materials, 24-25 May, 2007, Riga,Latvia; ISIF 2007 May 8-11, 2007, Bordeaux, France; First SMARTERCrystallography, 6 - 7 September 2007, University of Aveiro, Portugal, September2007; September 2007, Blede, Sloveniya; 11-я международная школа Пущинскаяконференция молодых ученых «Биология – наука 21-го века», 29 октября –2 ноября 2007, Пущино.По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ.Диссертация состоит из 5 глав, изложена на 103 листах, содержит7 таблиц и 21 иллюстрацию.2.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
