Компьютерное квантово-химическое моделирование взаимодействия карбоната кальция с биополимерами

В рамках данной работы проведено компьютерное квантово-химическое моделирование взаимодействия карбоната кальция с биополимерами (хитозан, гидроксиэтилцеллюлоза, гиалуроновая кислота). Квантово-химическое моделирование проводилось с использованием программного обеспечения QChem и молекулярного редактора IQmol. На первом этапе проводилось моделирование молекулы карбоната кальция и молекул хитозана, гидроксиэтилцеллюлозы, гиалуроновой кислоты, затем рассматривался молекулярный комплекс «карбонат кальция – биополимер», в котором взаимодействие карбоната кальция с биополимерами рассматривали как взаимодействие атома кальция в карбонате кальция с функциональными группами биополимеров. В результате получены модели молекулярных комплексов, а также рассчитаны значения полной энергии молекулярного комплекса, энергии высшей заселѐнной и низшей свободной молекулярных орбиталей, химической жѐсткости и разницы полной энергии аминокислоты и молекулярного комплекса «карбонат кальция – биополимер». В результате установлено, что хитозан, гидроксиэтилцеллюлоза, гиалуроновая кислота могут использоваться для стабилизации наночастиц карбоната кальция, что подтверждается значениями разницы полной энергии и химической жѐсткости молекулярных комплексов. Показано, что для хитозана оптимальным взаимодействием (∆E = 939,445 ккал/моль, ε = 0,026 эВ) является соединение через аминогруппу, присоединѐнную к C₂ остатка глюкозамина, для гидроксиэтилцеллюлозы – соединение через гидроксильную группу, присоединѐнную к C₆ остатка этоксигруппу (∆E = 939,762 ккал/моль, ε = 0,036 эВ), для гиалуроновой кислоты – соединение через гидроксильную группу, присоединѐнную к C₆ остатка N-ацетилглюкозамина (∆E = 939,413 ккал/моль, ε = 0,022 эВ).

1. Volodkin D.V. et. al. Matrix polyelectrolyte microcapsules: New system for macromolecule encapsulation // Langmuir. 2004. Vol. 20. No. 8. P. 3398.

2. Svenskaya Y.I. et. al. Photodynamic therapy platform based on localized delivery of photosensitizer by vaterite submicron particles. Colloids and Surfaces // B: Biointerfaces. 2016. Vol. 1. No. 146. Р. 171–179.

3. Maleki Dizaj et. al. Calcium carbonate nanoparticles as cancer drug delivery system // Expert opinion on drug delivery. 2015. Vol. 12. No. 10. Р. 1649-1660.

4. Hettiarachchi et. al. Synthesis of calcium carbonate microcapsules as self-healing containers // RSC advances. 2019. Vol. 9. No. 41. Р. 23666-23677.

5. Parakhonskiy B. V., Foss C., Carletti E. Tailored intracellular delivery via a crystal phase transition in 400 nm vaterite particles // Biomaterials Science. 2013. Vol. 1. No. 12. Р. 1273–1281.

6. Bukreeva et. al. Calcium carbonate and titanium dioxide particles as a basis for container fabrication for brain delivery of compounds. Doklady physical chemistry. 2011. V. 440. Р. 165-167.

7. Fujiwara M. et. al. Calcium carbonate microcapsules encapsulating biomacromolecules // Chemical Engineering Journal. 2008. Vol. 1. No. 137. Р. 14–22.

8. Biradar S. et. al. Calcium carbonate nanoparticles: synthesis, characterization and biocompatibility // Journal of Nanoscience and nanotechnology. 2011. Vol. 11. No. 8. Р. 6868-6874.

9. Kim J. et. al. Improved suspension stability of calcium carbonate nanoparticles by surface modification with oleic acid and phospholipid // Biotechnology and bioprocess engineering. 2015. Vol. 20. Р. 794-799.

10. Sun R. et. al. The effects of additives on the porosity and stability of amorphous calcium carbonate // Microporous and mesoporous materials. 2020. Vol. 292. Р. 109736.

11. Nagaraja A.T., Pradhan S., McShane M. J. Poly (vinylsulfonic acid) assisted synthesis of aqueous solution stable vaterite calcium carbonate nanoparticles // Journal of colloid and interface science. 2014. Vol. 418. P. 366-372.

12. Chuzeville L. et. al. Eco-friendly processes for the synthesis of amorphous calcium carbonate nanoparticles in ethanol and their stabilisation in aqueous media // Green Chemistry. 2022. Vol. 24. No. 3. Р. 1270-1284.

13. Xu D. et. al. Synthesis of stable calcium carbonate nanoparticles for pH-responsive controlled drug release // Green Materials Letters. 2022. Vol. 333. Р. 133635.

14. Rao C. et. al. In vitro preparation and characterization of amorphous calcium carbonate nanoparticles for applications in curcumin delivery // Journal of Materials Science. 2019. Vol. 54. No. 16. Р. 11243-11253.

15. Tester C. et. al. In vitro synthesis and stabilization of amorphous calcium carbonate (ACC) nanoparticles within liposomes // CrystEngComm. 2011. Vol. 13. No. 12. Р. 3975-3978.

16. Блинова А. А. и др. Компьютерное квантово-химическое моделирование взаимодействия фосфата кальция с аминокислотами // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2022. № 14. С. 352-361.

17. Blinova A.A. et al. Synthesis and characterization of calcium silicate nanoparticles stabilized with amino acids // Micromachines. 2023. Vol. 14. No. 2. P. 245.