Моделирование механизмов поляризации фосфатов кальция (1103915), страница 3
Текст из файла (страница 3)
6. Обозначения,принятые в таблицахрезультатов.Таккакдляулучшения∆E2∆E1медицинскихсвойствимплантантаизгидроксилапатита необходима его поляризация, то, следовательно, внутриобразца апатита возникает электрическое поле, которое в свою очередь влияетна профили потенциальной энергии в каналах апатитной структуры. Длявыяснения влияния величины электрического поля на профили потенциальнойэнергии и величины энергетических барьеров была проведена серия численныхэкспериментовкислороднойдлягидроксилапатита,цепочкивканале.полеПриведеныбылонаправленорезультатывдольчисленныхэкспериментов по влиянию электрического поля на профили потенциальнойэнергии в канале.
Установлено, что электрическое поле, необходимое дляпереключения минимумов асимметричного двухъямного потенциала имеетпорядок 109 В/м для моноклинной фазы гидроксилапатита, что сопоставимо сполями внутри биологических мембран. В Таблице 3 приведены величиныбарьеров для гексагональной и моноклинной фаз без влияния электрическогополя и при учете поля напряженностью 5,14*108 и 2,57*109 В/м.14Таблица 3. Величины энергетических барьеров при учете влияния электрическогополя.МоноклиннаяГексагональнаяупорядоченнаяНапряженностьполя, В/м∆E1, eV∆E2, eV∆E12, eV03.382.650.735.14*1083.242.720.522.57*1092.682.93-0.2502.861.761,15.14*1082.811.830.982.57*1092.431.940.49Приводятся краткие выводы о предпочтительном пути переноса протона,влиянии примеси фтора, электрического поля на величины энергетическихбарьеров.Пятая главаВ пятой главе описана работа над композитом поливинилиденфторид –гидроксилапатит (ПВДФ-ГА), проводящаяся в рамках гранта INTAS-051000008-8091 на основе моделей структуры апатита, разработанных в третьейглаве.ВыводыВ процессе решения поставленных задач:•были исследованы экспериментальные данные по поляризациифосфатов кальция и найдены свидетельства о ключевой роли транспортапротонов по каналам кристаллической структуры в процессах поляризациии деполяризации апатитов;•моделипостроенные на основе экспериментальных данных 3-х-мерныенаноструктур гидроксилапатита (ГА) различной симметрии15оптимизированы с использованием адаптированных программных средствHyperChem.
На основе полученных моделей в ОПИТ ИМПБ РАН созданаанимационная модель ГА;•установлен размерный эффект – с ростом размера наночастиц ГАПизменяется работа выхода, что влияет на адгезионные свойства. Показано,что этот эффект обусловлен большим поверхностным разупорядочениемнаночастиц ГАП меньшего размера;•проведена серия компьютерных экспериментов по определениюэнергетических барьеров на пути переноса протона, в том числе дляапатита с наиболее физиологически значимой примесью в канале –фтором. Также оценена величина барьера для прохождения протона черезкальциевый треугольник в канале. Расчеты проводились для обоихвозможных путей переноса протона: вдоль канала и через кислородыфосфатных групп, образующих канал. Расчеты выполнены ab initioметодами с помощью программы Gaussian 98, на кластере Пущинскогонаучного центра РАН;•полученные величины энергетических барьеров позволяют сделатьвывод о предпочтительном пути переноса протона для гидроксилапатита вмоноклинной, гексагональной упорядоченной и разупорядоченной фазах, атакже для гидроксилапатита с примесью фтора.
Показано, что транспортпротона в канале апатитной структуры в нормальных условиях (комнатнаятемпература,безвнешнихполей)практическиневозможен(чтоподтверждается известным из экспериментов длительным сохранениемполяризации). Только в случае гексагональной разупорядоченной фазыпротон локализуется у следующей протонной вакансии – но остается натомжеучасткеканала,ограниченномсоседнимикальциевымитреугольниками, «запирающими» носитель заряда на участке. В результатеможнопровестианалогиюсориентационнойполяризациейсегнетоэлектриков;•проведена серия компьютерных экспериментов с целью выяснитьвлияние электрического поля на величины энергетических барьеров при16переносе протона в гидроксилапатите.
Расчеты были проведены длягидроксилапатита в гексагональной и моноклинной фазах. Показано, чтовеличиныэлектрическогоминимумовполя,двухъямногонеобходимогопотенциала,дляпереключенияимеютпорядок109 В/м;•качественно промоделировано взаимодействие гидроксилапатитнойчастицы с титановой подложкой, такая система весьма распространена впротезировании, показано изменение направления дипольного моментасистемы по сравнению с направлением дипольного момента апатитнойчастицы.Изсравнениясэкспериментальнымиданными,подтверждающими, что для лучшего срастания с костью, поверхностьимплантанта должна быть отрицательно поляризована, и данными о числеопераций по замене протезов, сделан вывод о необходимости применениядругого подхода к композиционным материалам в изготовлении протеза.Предложенбиомиметическийкомпозит,состоящийизполивинилденфторида ПВДФ (играет роль коллагена в композите) ичастиц гидроксилапатита.
Проведено качественное моделирование такойсистемы.Приложение 1Приведены использовавшиеся кристаллографические данные.Приложение 2Описывается программа, с помощью которой по преобразованиям группысимметри получалась структура исследуемого минерала.Список публикаций:1. Парамонова Е.В., Быстров В.С., Компьютерное моделированиемеханизмов поляризации апатита. // Естественные и технические науки,№2, 2008 г., - стр. 81-85.2. V.
Bystrov, E. Paramonova, N. Bystrova, A. Sapronova A, S. Filippov,"Computational Molecular Nanostructures and Mechanical/AdhesionProperties of Hydroxyapatite. Review paper", In 3-rd Edition of “Micro- andNanostructures of Biological Systems”, Ed. by G.
Bischoff, Shaker Press:Aachen, Germany, 77 - 93 (2005) ISBN-10: 3832238689; ISBN-13: 9783832238681http://www.impb.ru/downloads/Nano2004.pdf3.Y. Dekhtyar, V. Bystrov, A. Karlov, A. Katashev, C. Meissner, A. Patmalnieks,E. Paramonova, N. Polyaka. Natively charged hydroxyapatite nanopoparticlesfor implants. // Journal of Biomechanics, Volume 39, Supplement 1, 2006, Page17S592.- FromInt.
Congress of Biomechanics, Munchen, Germany Jule 2006.ISSN: 0021-92904. V. Bystrov, N. Bystrova, E. Paramonova, A. Sapronova, S. Filippov, "Modelingand computation of Hydroxyapatite nanostructures and properties". //ADVANCED MATERIALS FORUM III, parts 1 and 2, MATERIALS SCIENCEFORUM Vol.
514-516, Part 1-2, pp. 1434-1437 (2006)http://0-87849-402-2.scientific.net/0-87849-402-2/1434/5. Y. Dekhtyar, V. Bystrov, A. Karlov, A. Katashev, C. Meissner, A. Patmalnieks,E. Paramonova, N. Polyaka. Size related electron work function ofhydroxyapatite nano particles. // Journal of the University of Applied ScienceMittweida, 2006, No. 10, pp. 19-21. (From: 18th International ScientificConference of Mittweida, November 9 –10, 2006, Mittweida, Germany).6.
Парамонова Е.В., Быстров В.С., Сапронова А.В., Быстрова Н.К.,Композитный материал для имплантантов на основе гидроксилапатитаи поливинилиден фторида (ПВДФ). Компьютерное моделирование. // ВСб. 11-я международная школа Пущинская школа-конференция молодыхученых «Биология – наука 21-го века», 29октября-2ноября 2007 г., Пущино.Тезисы докладов.- стр. 60.7. V.S. Bystrov, N.K. Bystrova, E.V.Paramonova, A.L. Kholkin, PolyvinylideneFluoride Ferroelectric nanocomposite .// Program and Abstract Book of EMF2007, 3-7 September 2007, Bled, Slovenia.
– p. 121. – (CD edition).8. V. Bystrov, N. Bystrova, E. Paramonova, A. Sapronova, A. L. Kholkin,Computational modeling of novel polymer ferroelectric composites usingHyperChem and HyperNMR software. // Program and Abstract Book of FirstSMARTER Crystallography, 6 - 7 September 2007, University of Aveiro,Portugal. – p. 45.9. V. Bystrov, N. Bystrova, E. Paramonova. Hydroxyapatite polarizationproperties. // Book of abstracts 3rd Baltic conference of silicate materials, 24-25May, 2007, Riga, Latvia, pp. 35-37.10. V.
Bystrov, N. Bystrova, E. Paramonova. Hydroxyapatite – polyvinylidenefluoride nanocomposite. // Book of abstracts 3rd Baltic conference of silicatematerials, 24-25 May, 2007, Riga, Latvia, pp. 53-54.11. V. Bystrov, N. Bystrova, Yu. Dekhtyar, S. Filippov, A. Karlov, A. Katashev, C.Meissner, E.Paramonova, A.
Patmalnieks, N. Polyaka, A Sapronova. SizeDepended Electrical Properties of Hydroxyapatite Nanoparticles. // IFMBEproc. CD version, Springer, 14, 3149-3151 (2006).- From Int. Congress ofBiomed. Physics, Seul, Koreya, August 2006.12. V. Bystrov, E. Paramonova, A. Sapronova, S. Filippov, I. Kim, N. Bystrova, Y.Dekhtyar, C. Messner, N. Polyaka, A. Katashev, A. Patmalnieks, R.
Bendere, W.Roth. Computer modeling of Hydroxyapatite Nanoparticles and itsinteraction with heavy metal ions and titanium substrate. ///Математическая биология и биоинформатика: I Международнаяконференция, г.Пущино, 9-15 Октября 2006 г. : Доклады/ Под ред. В.Д.Лахно. – М.: МАКС Пресс, 2006. – стр. 22-23.13. Быстров В.С., Парамонова Е.В., Сапронова А.В., Квантово-химическоеисследование свойств гидроксилапатиата – аналога минеральнойсоставляющейкостнойтканипозвоночных.//ВСб.:10-аямеждународная Пущинская конференция молодых ученых «Биология –наука 21-го века», 17-21 апреля 2006 г., Пущино.- Тезисы докладов.- стр.347.1814. Bystrov V., Bystrova N., Paramonova E., Filippov S.,Sapronova A.,BaumuratovaT. Computer simulation and computational exploration of Hydroxyapatitebiomaterials nanostructures, surface’s and adhesive properties.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
