Polyelektrolyyttien vuorovaikutukset suolaliuoksessa tietokonesimulaatioihin pohjautuen

Hanne Antila

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Varatut polymeerit, polyelektrolyytit (PE), ovat monipuolisia synteettisiä materiaaleja, joita käytetään mm. veden käsittelyssä. Polyelektrolyyttejä esiintyy myös luonnossa ja monet biologiset makromolekyylit, kuten DNA, ovat varattuja polymeerejä. Vastakkaisesti varatut polymeerit muodostavat komplekseja keskenään ja PE:t voivat kompleksoitua myös muiden varattujen molekyylien ja pintojen kanssa. Monet polyelektrolyyttien sovellutukset perustuvat tälle ominaisuudelle: PE-kompleksaation avulla voidaan mm. rakentaa ohutkalvoja, jotka koostuvat kymmenistä tai sadoista vastakkaisvarauksisista polymeerikerroksista. Kompleksaatiota voidaan hyödyntää myös geeniterapiassa, missä polykationi-DNA -komplekseja käytetään geenien kuljetuksessa soluun. PE-kompleksit ovat herkkiä ylimääräisten ionien, suolan, läsnäololle liuoksessa. Suola voi mm. nopeuttaa PE-kompleksien tasapainottumista ja hajottaa PE-ohutkalvoja. Tämän työn tarkoitus on selvittää molekyylidynamiikkasimulaatioiden (MD) sekä Monte Carlo (MC) simulaatioiden avulla mekanismeja, joiden kautta suola vaikuttaa PE-vuorovaikutuksiin. MD-simulaatioissa käytetään kemiallisesti realistista mallia kun taas MC-simulaatioissa hyödynnetään yksinkertaistettua mallia, jossa PE:t kuvataan jäykkinä, vastakkaisesti varattuina tankoina. Tässä työssä tehdyt MD-simulaatiot demonstroivat, miten ionit hajottavat DNA-polykationikompleksit katkaisemalla PE-PE sidokset, ja selittävät miksi moniarvoiset ionit tekevät tämän tehokkaammin kuin yksiarvoiset ionit. Myös polykationi-polyanioni -varaussuhteen vaikutusta kompleksin stabiilisuuteen suolassa tutkittiin MD:n avulla. Alhainen polykationin varaustiheys näyttää johtavan PE-PE -kompleksin destabilisoitumiseen suolaliuoksissa. MC-simulaatioiden ja yksinkertaistetun mallin avulla puolestaan kartoitettiin kattavasti suolan määrän, suolan valenssin sekä polyelektrolyyttien varauksien vaikutusta PE-vuorovaikutuksiin. Simulaatioissa löydettiin kaksi mekanismia, jotka aiheuttavat repulsion vastakkaisesti varattujen tankojen välille: asymmetrinen ylivarautuminen ja osmoottinen repulsio. Jälkimmäisessä tapauksessa lähestyvien tankojen vapaaenergiakäyriin syntyy uusi, sekundäärinen minimi, jonka sijaintiin ja syvyyteen voidaan vaikuttaa suolan pitoisuutta sekä ionityyppiä ja PE:n varauksia muuntelemalla. Tulokset täten kertovat miten PE-vuorovaikutuksia voidaan näiden muuttujien avulla säädellä halutun laisiksi. Väitöskirjan tulokset auttavat paremmin ymmärtämään ja suunnittelemaan PE-kompleksaatioon perustuvia materiaaleja, kuten geeniterapiassa käytettäviä komplekseja. Väitöskirjatutkimuksessa luotiin myös muunnelma elektrostatiikan mallintamiseen käytetystä Ewald-summauksesta. Tämä muunnelma tehostaa sylinterimäisten, varattujen makromolekyylien mallintamista, ja simulaatiotulosten vertailua samankaltaisiin malleihin perustuviin teorioihin.
Julkaisun otsikon käännösPolyelektrolyyttien vuorovaikutukset suolaliuoksessa tietokonesimulaatioihin pohjautuen
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Laasonen, Kari, Vastuuprofessori
  • Sammalkorpi, Maria, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-6643-1
Sähköinen ISBN978-952-60-6644-8
TilaJulkaistu - 2016
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • polyelektrolyyttien kompleksaatio
  • suola
  • molekyylidynamiikka

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Polyelektrolyyttien vuorovaikutukset suolaliuoksessa tietokonesimulaatioihin pohjautuen'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä