Компьютерное моделирование структур межфазных областей в композиционных материалах на основе бактериальной целлюлозы

• Автор: Толмачев, Дмитрий Алексеевич
• Шифр специальности: 02.00.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 136 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
11 Органоминеральные композиционные материалы (матриксы) для
костных имплантатов
11.1 Структура и свойства фосфатов кальция и бактериальной целлюлозы
1.2 Методы получения материалов на основе бактериальной целлюлозы и 14 фюсфатов кальция
1.2Л Метод смешения водных суспензий бактериальной целлюлозы и
фюсфатов кальция. Структурные экспериментальные исследования
1.2.2 Метод имитации биоминерализации. Структурные экспериментальные 15 исследования
1.3 Механизм формирования межфазных границ при смешении водных 17 суспензий компонентов композиционного материала
1.3.1 Адгезия в трехкомпонентной системе
1.3.2 Компьютерное моделирование межфазных структур
1.4 Механизмы кристаллизации при имитации биоминерализации
1.4.1 Подходы к объяснению механизмов кристаллизации
1.4.2 Компьютерное моделирование
1.5 Структура химически модифшцированной фибриллы бактериальной 33 целлюлозы
1.5.1 Различные виды химической модификации поверхности бактериальной 33 целлюлозы
1.5.2 Экспериментальные исследования структуры химически 33 модифицированной бактериальной целлюлозы
1.5.3 Компьютерное моделирование химически модифшцированной 34 фжбриллы бактериальной целлюлозы. Потенциалы взаимодействия
ГЛАВА 2. МОДЕЛИ И ПРОЦЕДУРЫ КОМПЬЮТЕРНОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
2.1 Объекты исследования
2.2 Методы компьютерного моделирования
2.2.1 Методы квантово-химических расчетов
2.2.2 Методы атомистического моделирования
2.3 Межфазные структуры, образованные кристаллитами фосф)ата кальция и 42 фибриллой бактериальной целлюлозы

2.3.1 Модели кристаллитов гидроксиапатита и витлокита
2.3.2 Модель кристаллической структуры бактериальной целлюлозы
2.3.3 Кристаллиты фосфатов кальция на поверхности бактериальной 46 целлюлозы
2.3.4 Потенциалы взаимодействия
2.3.5 Процедура моделирования, программные пакеты
2.4 Минерализация фибриллы нативной БЦ методом биоимитации
2.4.1 Модели ионных растворов
2.4.2 Модель нанофибриллы нативной бактериальной целлюлозы
2.4.3 Потенциалы взаимодействия
2.4.4 Процедура моделирования и программный пакет
2.5 Структура химически модифицированного поверхностного слоя
фибриллы целлюлозы
2.5.1 Модели изолированных молекул
2.5.2 Модель химически модифицированной фибриллы целлюлозы
2.5.3 Метод моделирования, процедура моделирования и программный пакет
2.5.4 Процедура определения парциальных зарядов на атомах 65 фосфорилированной целлюлозы
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Межфазные структуры, образованные кристаллитами фосфатов кальция 68 и фибриллой бактериальной целлюлозы
3.1.1 Система гидрокснапатит-бактериатьная целлюлоза
3.1.2 Система витлокит-бактериальная целлюлоза
3.1.3 Структурные изменения в молекулах целлюлозы
3.1.4 Межфазная энергия взаимодействия и структура поверхности 74 кристаллитов фосфатов кальция
3.1.5 Выигрыш в потенциальной энергии в результате формирования 77 межфазных структур в системах бактериальная цсллюлоза-фосфат кальция
3.1.6 Выигрыш в свободной энергии в результате формирования межфазных 78 структур бактериальная целлюлоза-фосфат кальция
3.2 Минерализация нанофибрилл нативной бактериальной целлюлозы
3.2.1 Структура нанофпбриллы
3.2.2 Моделирование нанофпбриллы бактериальной целлюлозы в растворе 90 ионов Са'+. РОД", ОН"
3.2.3 Моделирование нанофпбриллы бактериальной целлюлозы в растворе

3.3 Структура химически модифицированного поверхностного слоя бактериальной целлюлозы
3.3.1 Влияние химической модификации на изолированную молекулу целлюлозы
3.3.2 Определение парциальных зарядов на атомах фосфорилированной целлюлозы
3.3.3 Характеристики поверхности фосфорилированной целлюлозы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

В современной литературе остаются открытыми вопросы, касающиеся как структуры межфазных областей, так и взаимодействий, связывающих органическую и минеральную фазы в БЦ-ФК композиционных материалах. Так, неизвестно, какие взаимодействия отвечают за адгезию поверхностей нанокристаллитов ФК и фибрилл БЦ, каков механизм минерализации нативной БЦ при погружении ее в раствор минеральных солей, а также как химическая модификация влияет на структуру поверхности фибрилл БЦ. Эти вопросы вошли в число задач, поставленных в диссертации.
Компьютерное моделирование методами ММ и МД позволяет получить как детальную информацию о структуре межфазных областей на наноуровне и конформационных изменениях в органическом компоненте, о взаимодействиях, связывающих органическую и минеральную фазы, так и информацию о механизмах минерализации нативной целлюлозы и о тех структурных изменениях, к которым приводит химическая модификация.
Важным вопросом при моделировании данными методами является выбор силового поля для описания взаимодействий между компонентами системы.
Так, при моделировании межфазных структур, формирующихся при взаимодействии кристаллитов ФК и БЦ необходимо учитывать различия в характере взаимодействий в минеральных и органических соединениях. Кристаллиты ФК - это ионные кристаллы, в которых большую роль играют сильные электростатические взаимодействия. В случае органических соединений атомы несут на себе зачастую слабые парциальные заряды и, в связи с этим, роль электростатических взаимодействий для них меньше.
В случае моделирования фибриллы целлюлозы в водной среде, важно учитывать то, что не существует силового поля, корректно воспроизводящего как кристаллическую структуру фибриллы, так и динамическое поведение гидроксильных групп на поверхности фибриллы, находящейся в водной среде. Есть силовые поля, предназначенные либо для одного, либо для другого. В рамках задач, решаемых в данной работе, в частности, при изучении процессов