Исследования взаимодействия коллагена с углеродными нанотрубками

Коллаген, самый распространенный белок в организме человека, играет решающую роль в обеспечении структурной поддержки тканей и органов. Углеродные нанотрубки (УНТ) - наноразмерные структуры с исключительными механическими, электрическими и тепловыми свойствами. Взаимодействие между коллагеном и УНТ привлекло значительное внимание в научном сообществе из-за его потенциального применения в различных областях, включая тканевую инженерию, системы доставки лекарств и биосенсоры. Коллаген представляет собой волокнистый белок, в изобилии содержащийся в соединительных тканях, таких как кожа, кости, сухожилия и хрящи. Он обеспечивает прочность, гибкость и структурную целостность этих тканей, что делает его важным компонентом внеклеточного матрикса. Коллаген состоит из трех полипептид-ных цепей, скрученных вместе, образующих структуру тройной спирали, известную как коллагеновая фибрилла [1-2].

Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические структуры, состоящие из атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке. Они обладают замечательной механической прочностью, высокой электропроводностью и отличными тепловыми свойствами. УНТ могут быть одностенными (ОУНТ) или многослойными (МУНТ) в зависимости от количества концентрических углеродных сло- ев. Одним из ключевых аспектов взаимодействия тубуленов с коллагеном является способность УНТ выступать в качестве армирующих материалов для композитов на основе коллагена. Путем включения УНТ в коллагеновые матрицы исследователи стремились улучшить механические свойства коллагена, сделав его более прочным и долговечным. Эти композиты показали себя многообещающе в таких приложениях, как каркасы тканевой инженерии и заживление ран.

Кроме того, УНТ продемонстрировали способность способствовать клеточной адгезии и росту при интеграции с коллагеновыми матрицами. Уникальные поверхностные свойства УНТ, такие как их большая площадь поверхности и поверхностный заряд, могут способствовать адгезии и пролиферации клеток [3-4]. Это свойство привело к разработке гибридных материалов УНТ-коллаген для регенерации тканей, где нанотрубки способствуют клеточным взаимодействиям и обеспечивают структурную поддержку. УНТ также исследовались для систем доставки лекарств в сочетании с коллагеном. Большая площадь поверхности УНТ позволяет эффективно загружать и высвобождать терапевтические агенты, а коллагеновая матрица обеспечивает биосовместимость и свойства контролируемого высвобождения. Эта комбинация предлагает инновационный подход к адресной доставке ле- карств и может произвести революцию в области медицины.

Коллаген, как и все остальные белки, состоит из аминокислот. В его состав входит большой процент глициона, аналина, гидроксипролина, пролина, глутаминовой кислоты, аргинина, серина. Молекула фибриллярного белка имеет вид трех цепей, правозакрученных в спираль. Коллагеновые волокна прочны, и почти не подвержены растяжению. Таким образом молекула коллагена состоит из разных составляющих. Для получения детальной информации о взаимодействии молекулы коллагена с УНТ необходимо изучить процесс взаимодействия каждой структуры с поверхностью трубки. Для примера рассмотрим процесс взаимодействия гидроксипролина с углеродной нанотрубкой. Для этого необходимо было построить и выбрать оптимальную модель структурной единицы гидроксипролина C5H9NO3. Для определения оптимальной структуры были выполнены расчеты геометрии системы с использованием полуэмпирического метода MNDO. Структурная формула гидроксипролина представлена на рис. 1а. В результате расчетов были определены геометрические особенности данной структурной единицы (рис. 1б).

Рис. 1. Молекула C 5 H 9 NO 3 :а) структурная формула; б) структура, рассчитанная с оптимизацией параметров

В качестве объекта исследования выбрана углеродная нанотрубка (6,6), которая моделировалась молекулярным кластером, расширенная элементарная ячейка (РЭЯ) которого содержала 240 атомов углерода. Расстояние между атомами углерода трубки составляет 1.4 Å. Оборванные связи на границе кластера замыкались псевдоатомами водорода. Рассмотрены два положения молекулы гидроксипролина относительно поверхности УНТ – поперечная и продольная ориентации (рис. 2а,б).

Рис. 2. Расположение молекулы гидроксипролина над углеродной трубкой: а) продольная ориентация; б) поперечная ориентация; в) изменение энергии при взаимодействии C 5 H 9 NO 3 с углеродной нанотрубкой (6,6)

Процесс адсорбции моделировался пошаговым приближением C5H9NO3 с шагом 0,1 Å к поверхности углеродной НТ. Геометрия системы оптимизировалась на каждом шаге. Выполненные расчеты позволили построить профили поверхности потенциальной энергии процессов адсорбции (рис. 2в) для поперечной и продольной ориентации молекулы гидроксипролина. Анализ энергетических кривых установил, что структурная единица адсорбируются на поверхности трубки, что подтверждается наличием минимума на энергетических кривых. Следует заметить, что образование химической связи между атомами молекулы гидроксипролина и атомами трубки наблюдается только при продольном расположении гидроксипролина относительно поверхности тубулена. Молекула гидроксипролина безбарьерно подходит к УНТ, на расстоянии около 2 Å, одна сторона поворачивается и присоединяется атомом углерода к атому трубки, при этом на противоположной стороне еще один атом углерода образует двойную связь с атомом тубулена. Длина связи С-С равна 1,44 Å. Энергия адсорбции составила 13,21 эВ. В случае расположения молекулы перпендикулярно трубки на графике также отчетливо прослеживается энергетический минимум на расстоянии 2 Å, что соответствует физической адсорбции, энергия которой равна 10,3 эВ.