Моделирование отклика магнитной полимеросомы в неоднородном магнитном поле

Цель. Выявить особенности поведения магнитной полимеросомы, помещенной в неоднородное поле точечного диполя, с помощью моделирования методом крупнозернистой молекулярной динамики.

Методы. Исследуемая система представляется в виде набора взаимодействующих частиц двух типов: полимерные частицы, имитирующие двойной слой амфифильной мембраны, и магнитные наночастицы, расположенные в мембранном слое. Полимерные частицы взаимодействуют посредством упругих потенциалов, призванных сохранять равновесную сферическую везикулярную геометрию. Магнитные наночастицы взаимодействуют между собой и внешними полями как точечные диполи. Исключенный объем и стерическое взаимодействие магнитных частиц с полимерными стенками моделируется в форме мягкого отталкивания. Вся система находится в изотермических условиях, и модельные параметры выбраны в соответствии с типичными энергиями взаимодействий относительно тепловых колебаний. Рассматривается модельная полимеросома диаметра около 100 нм в водном растворе при 25°C. Неоднородное магнитное поле создается расположенным на фиксированном расстоянии диполе неизменного направления. Динамика системы отслеживается численным интегрированием уравнений движения частиц с введенными взаимодействиями и наложенными условиями.

Результаты. В численных экспериментах получен ответ полимеросомы на магнитное поле для трех значений параметра, описывающего неоднородность поля. Рассмотрена задача при постепенном росте напряженности (и ее градиента) магнитного поля вблизи полимеросомы. Показано изменение намагниченности системы, проанализировано перераспределение концентрации наночастиц. Проведено моделирование ситуации, когда центр полимеросомы в начальный момент времени помещен в точку с фиксированным значением магнитного поля для трех случаев неоднородности поля. Обнаружена значительная перестройка магнитного слоя везикулы, совмещенная с перемещением всей капсулы. По смещению объекта сделаны оценки о развиваемой средней скорости.

Заключение. Модель позволяет оценить особенности комбинированного магнитного, структурного и механического отклика полимеросомы на неоднородное поле в канве потенциальных приложений для управляемой доставки содержимого внутрь клеток.

1. Polymersomes: tough vesicles made from diblock copolymers / B. M. Discher, Y. Y. Won, D. S. Ege, J. C. Lee, F. S. Bates, D. E. Discher et al. // Science. 1999. Vol. 284 (5417). Р. 1143–1146. https://doi.org/10.1126/science.284.5417.1143

2. Meng F. H., Zhong Z. Y., Feijen J. Stimuli-responsive polymersomes for programmed drug delivery. Biomacromolecules. 2009. Vol. 10, no. 2. Р. 197–209. https://doi.org/10.1021/bm801127d

3. Polymer vesicles: Mechanism, preparation, application, and responsive behavior / Y. Zhu, B. Yang, S. Chen, J. Du // Prog. Polym. Sci. 2017. Vol. 64. Р. 1–22. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2015.05.001

4. Magnetic nanocomposite micelles and vesicles / S. Lecommandoux, O. Sandre, F. Checot, J. R. Hernandez, R. Perzynski // Adv. Mater. 2005. Vol. 17, no. 6. Р. 712–718. https://doi.org/10.1002/adma.200400599

5. Doxorubicin loaded magnetic polymersomes: theranostic nanocarriers for mr imaging and magneto-chemotherapy / C. Sanson, O. Diou, J. Thévenot, E. Ibarboure, A. Soum, A. Brûlet et al.. ACS Nano. 2011. Vol. 5, no. 2. Р. 1122–1140. https://doi.org/10.1021/nn102762f

6. Controlling the self-assembly structure of magnetic nanoparticles and amphiphilic block- copolymers: from micelles to vesicles / R. J. Hickey, A. S. Haynes, J. M. Kikkawa, S.-J. Park // J. Am. Chem. Soc. 2011. Vol. 133, no. 5. Р. 1517–1525. https://doi.org/10.1021/ja1090113

7. Size-controlled self-assembly of superparamagnetic polymersomes / R. J. Hickey, J. Koski, X. Meng, R. A. Riggleman, P. Zhang, S.-J. Park // ACS Nano. 2014. Vol. 8, no. 1. Р. 495–502. https://doi.org/10.1021/nn405012h

8. Magnetic field triggered drug release from polymersomes for cancer therapeutics / H. Oliveira, E. Pérez-Andrés, J. Thevenot, O. Sandre, E. Berra, S. Lecommandoux // J. Control. Release. 2013. Vol. 169, no. 3. Р. 165–170. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2013.01.013

9. Continuously manufactured magnetic polymersomes – a versatile tool (not only) for targeted cancer therapy / R. Bleul, R. Thiermann, G. U. Marten, M. J. House, T. G. St. Pierre, U. O. Häfeli et al. // Nanoscale. 2013. Vol. 5, no. 23. Р. 11385. https://doi.org/10.1039/C3NR02190D

10. Embedding of superparamagnetic iron oxide nanoparticles into membranes of well-defined poly(ethylene oxide)- block -poly(ε-caprolactone) nanoscale magnetovesicles as ultrasensitive MRI probes of membrane bio-degradation / A.Hannecart, D. Stanicki, L. Vander Elst, R. N. Muller, A. Brûlet, O. Sandre et al. // J. Mater. Chem. B. 2019. Vol. 7, no. 30. Р. 4692–4705. https://doi.org/10.1039/C9TB00909D

11. Superparamagnetic iron oxide-encapsulating polymersome nanocarriers for biofilm eradication / B. M. Geilich, I. Gelfat, S. Sridhar, A. van de Ven, T. J. Webster // Biomaterials. 2017. Vol. 119. Р. 78–85. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2016.12.011

12. Cooperative assembly of magneto-nanovesicles with tunable wall thickness and permeability for mri-guided drug delivery / K. Yang, Y. Liu, Y. Liu, Q. Zhang, C. Kong, C. Yi et al. // J. Am. Chem. Soc. 2018. Vol. 140, no. 13. Р. 4666–4677. https://doi.org/10.1021/jacs.8b00884

13. Effects of DC magnetic fields on magnetoliposomes / L. Nuñez-Magos, J. Lira-Escobedo, R. Rodríguez-López, M. Muñoz-Navia, F. Castillo-Rivera, P. X. Viveros-Méndez et al. // Front. Mol. Biosci. 2021. Vol. 8. Р. 1–11. https://doi.org/10.3389/fmolb.2021.703417

14. Novikau I. S., Sánchez P. A., Kantorovich S. S. The influence of an applied magnetic field on the self-assembly of magnetic nanogels. Journal of Molecular Liquids. 2020. Vol. 307. Р. 112902. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.112902

15. Melenev P. V., Ryzhkov A. V., Balasoiu M. Simulation of magneto-mechanical response of ferrogel samples with various polymer structure. Soft Materials. 2022. Vol. 20, no. 1. Р. S50–S58. https://doi.org/10.1080/1539445X.2021.1998119

16. Хардина А. С., Меленев П. В. Модель малого образца феррогеля с имитацией полимерной матрицы на основе жидкости Леннарда – Джонса с упругими связями // Известия ЮгоЗападного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 4. С. 124–139. https://doi.org/10.21869/2223-15282022-12-4-124-139

17. Ryzhkov A. V., Raikher Y. L. Simulation of shape and structure response of nonspherical magnetosensitive vesicles subjected to magnetic fields. IEEE Magnetics Letters. 2022. Vol. 13. Р. 1–5. https://doi.org/10.1109/LMAG.2021.3130850

18. Lorenz C., Doltsinis N. L. Molecular dynamics simulation: from “Ab Initio” to “Coarse Grained”. Handbook of Computational Chemistry / J. Leszczynski (ed.). Springer Netherlands, 2012. Р. 195–238. https://doi.org/10.1007/978-94-007-0711-5_7

19. Molecular dynamics with coupling to an external bath / H. J. C. Berendsen, J. P. M. Postma, W. F. van Gunsteren, A. Di Nola, J. R. Haak // The Journal of Chemical Physics. 1984. Vol. 81, no. 8. Р. 3684–3690. https://doi.org/10.1063/1.448118

20. Weeks J. D., Chandler D., Andersen H. C. Role of repulsive forces in determining the equilibrium structure of simple liquids. The Journal of Chemical Physics. 1971. Vol. 54, no. 12. Р. 5237–5247. https://doi.org/10.1063/1.1674820

21. Rapaport D. C. The art of molecular dynamics simulation. 2nd ed. Cambridge University Press, 2004. 548 р. https://doi.org/10.1017/CBO9780511816581

22. ESPResSo 4.0 – an extensible software package for simulating soft matter systems / F. Weik, R. Weeber, K. Szuttor, K. Breitsprecher, J. de Graaf, M. Kuron et al. // The European Physical Journal Special Topics. 2019. Vol. 227, no. 14. Р. 1789–1816. https://doi.org/10.1140/epjst/e2019800186-9

23. Nanoparticle-loaded magnetophoretic vesicles / M. Krack, H. Hohenberg, A. Kornowski, P. Lindner, H. Weller, S. Förster // Journal of the American Chemical Society. 2008. Vol. 130, no. 23. Р. 7315–7320. https://doi.org/10.1021/ja077398k

24. Динамика активных пузырьков в магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле / Е. А. Соколов, Д. А. Калюжная, А. Г. Рекс, В. И. Каленчук, Г. А. Жуков, Р. Е. Политов и др. // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 1. С. 102–119. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-1-102-119