Модель магнитной полимеросомы, содержащей переносимую субстанцию
https://doi.org/10.21869/2223-1528-2025-15-1-146-160
Аннотация
Цель. С помощью модифицированной модели магнитной полимеросомы, учитывающей находящуюся в полости субстанцию, исследовать особенности миграции частиц переносимого вещества в зависимости от проницаемости мембраны и ее магнитных свойств методом крупнозернистой молекулярной динамики.
Методы. Исследуемая полимеросома представляется в виде набора взаимодействующих частиц трех типов: полимерные частицы, имитирующие бислой амфифильной мембраны; магнитные наночастицы, расположенные в мембранном слое, и частицы субстанции, помещенные в полость. Полимерные частицы взаимодействуют через упругие потенциалы, сохраняющие равновесную сферическую везикулярную геометрию. Магнитные наночастицы взаимодействуют между собой как точечные диполи. Стерическое взаимодействие магнитных частиц с полимерными стенками моделируется в форме мягкого отталкивания. Взаимодействие частиц субстанции и полимерных слоев может быть настроено для учета их непроницаемости. Магнитные наночастицы считаются непроницаемыми для переносимого полимеросомой вещества. Рассматриваемая модельная полимеросома соответствует магнитополимерной частице с диаметром около 100 нм, находящейся в водном растворе при 25°C, половина полости которой по объему заполнена частицами субстанции. Поведение системы отслеживается по нескольким реализациям с последующим усреднением с помощью численного решения уравнений движения частиц с введенными взаимодействиями и наложенными условиями и дальнейшего анализа результирующих наборов частиц.
Результаты. В численных экспериментах исследовано влияние упругих свойств мембраны на равновесное состояние полимеросомы, содержащей заданное число магнитных частиц и частиц переносимого вещества. Проанализирован характер миграции частиц субстанции из полости полимеросомы в зависимости от проницаемости мембраны и свойств расположенных в мембранном слое магнитных наночастиц.
Заключение. Представленная модель позволяет описать особенности высвобождения частиц заключенного в полость магнитной полимеросомы вещества в присутствии в мембране капсулы магнитоактивного слоя.
Ключевые слова
Об авторе
А. В. РыжковРоссия
Рыжков Александр Владимирович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник
г. Пермь
Список литературы
1. Discher B.M. et al. Polymersomes: Tough Vesicles Made from Diblock Copolymers. Science. 1999; 284 (5417): 1143–1146. https://doi.org/10.1126/science.284.5417.1143
2. Ayres L. et al. Peptide-polymer vesicles prepared by atom transfer radical polymerization. J. Polym. Sci. Part A Polym. Chem. 2005; 43 (24): 6355–6366. https://doi.org/10.1002/pola.21107
3. Meng F.H., Zhong Z.Y., Feijen J. Stimuli-Responsive Polymersomes for Programmed Drug Delivery. Biomacromolecules. 2009; 10 (2): 197–209. https://doi.org/10.1021/bm801127d
4. De Oliveira H., Thevenot J., Lecommandoux S. Smart polymersomes for therapy and diagnosis: Fast progress toward multifunctional biomimetic nanomedicines. Wiley Interdiscip. Rev. Nanomedicine Nanobiotechnology. 2012; 4 (5): 525–546. https://doi.org/10.1002/wnan.1183
5. Zhu Y. et al. Polymer vesicles: Mechanism, preparation, application, and responsive behavior. Prog. Polym. Sci. 2017; 64: 1–22. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2015.05.001
6. Lecommandoux S. et al. Magnetic Nanocomposite Micelles and Vesicles. Adv. Mater. 2005; 17 (6): 712–718. https://doi.org/10.1002/adma.200400599
7. Lecommandoux S. et al. Self-assemblies of magnetic nanoparticles and di-block copolymers: Magnetic micelles and vesicles. J. Magn. Magn. Mater. 2006; 300 (1): 71–74. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2005.10.035
8. Sanson C. et al. Doxorubicin Loaded Magnetic Polymersomes: Theranostic Nanocarriers for MR Imaging and Magneto-Chemotherapy. ACS Nano. 2011; 5 (2): 1122–1140. https://doi.org/10.1021/nn102762f
9. Hickey R.J. et al. Controlling the Self-Assembly Structure of Magnetic Nanoparticles and Amphiphilic Block-Copolymers: From Micelles to Vesicles. J. Am. Chem. Soc. 2011; 133 (5): 1517–1525. https://doi.org/10.1021/ja1090113
10. Hickey R.J. et al. Size-Controlled Self-Assembly of Superparamagnetic Polymersomes. ACS Nano. 2014; 8 (1): 495–502. https://doi.org/10.1021/nn405012h
11. Oliveira H. et al. Magnetic field triggered drug release from polymersomes for cancer therapeutics. J. Control. Release. 2013; 169 (3): 165–170. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2013.01.013
12. Bleul R. et al. Continuously manufactured magnetic polymersomes – a versatile tool (not only) for targeted cancer therapy. Nanoscale. 2013; 5 (23): 11385. https://doi.org/10.1039/C3NR02190D
13. Hannecart A. et al. 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. J. Mater. Chem. B. 2019; 7 (30): 4692–4705. https://doi.org/10.1039/C9TB00909D
14. Bixner O. et al. Fluorescent Magnetopolymersomes: A Theranostic Platform to Track Intracellular Delivery. Materials. 2017; 10 (11): 1303. https://doi.org/10.3390/ma10111303
15. Yang K. et al. Cooperative Assembly of Magneto-Nanovesicles with Tunable Wall Thickness and Permeability for MRI-Guided Drug Delivery. J. Am. Chem. Soc. 2018; 140 (13): 4666–4677. https://doi.org/10.1021/jacs.8b00884
16. 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; 307: 112902. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.112902
17. Хардина А.С., Меленев П.В. Модель малого образца феррогеля с имитацией полимерной матрицы на основе жидкости Леннарда – Джонса с упругими связями. Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022; 12 (4): 124-139. https://doi.org/10.21869/2223-15282022-12-4-124-139
18. Рыжков А.В. Моделирование отклика магнитной полимеросомы в неоднородном магнитном поле. Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2024; 14(3): 105-119. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-14-3-105-119
19. Liwo, A.; Czaplewski, C.; Sieradzan, A.K.; Lipska, A.G.; Samsonov, S.A.; Murarka, R.K. Theory and Practice of Coarse-Grained Molecular Dynamics of Biologically Important Systems. Biomolecules. 2021; 11 (9): 1347. https://doi.org/10.3390/biom11091347
20. Berendsen H.J.C. et al. Molecular dynamics with coupling to an external bath. The Journal of Chemical Physics. 1984; 81 (8): 3684–3690. https://doi.org/10.1063/1.448118
21. 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; 54 (12): 5237–5247. https://doi.org/10.1063/1.1674820
22. Rapaport D.C. The Art of Molecular Dynamics Simulation. 2nd Edition. Cambridge University Press; 2004. https://doi.org/10.1017/CBO9780511816581
23. Weik F. et al. ESPResSo 4.0 – an extensible software package for simulating soft matter systems. The European Physical Journal Special Topics. 2019; 227 (14): 1789–1816. https://doi.org/10.1140/epjst/e2019-800186-9
Дополнительные файлы
Рецензия
Для цитирования:
Рыжков А.В. Модель магнитной полимеросомы, содержащей переносимую субстанцию. Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2025;15(1):146-160. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2025-15-1-146-160
For citation:
Ryzhkov A.V. Model of a magnetic polymersome containing a transportable substance. Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology. 2025;15(1):146-160. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1528-2025-15-1-146-160