基于加速反应分子动力学的柠檬酸盐聚合物生物降解模拟(J. Phys. Chem. B 2020)

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具有弹性的生物可降解聚合物在组织工程领域得到了广泛的关注,而聚酯是用于制造骨组织支架的常用生物材料。最近Adri van Duin等人利用加速反应分子动力学模拟,研究了柠檬酸盐聚合物的反应性。

由于酯和乙醚水解反应的活化能垒较高,反应所需时间相对于计算机模拟时间尺度(一般在ns级别的微观时间尺度)而言非常长,因此往往需要通过特殊的方法,加速分子动力学模拟中化学反应的发生。作者在ReaxFF框架内使用了bond boost加速反应方法(参阅教程),Bond boost参数的选择是通过人为调整得到。乙醚水解比酯水解能垒高,当bond boost参数降低时,乙醚水解几乎停止。另外对聚合物进行了机械拉伸模拟,以确定其拉伸模量,显示出应变相关的行为(另见应力应变教程),发现聚酯比聚醚具有更高的韧性。

己二醇-柠檬酸与两个水分子反应的ReaxFF过渡态结构(顶部),多链聚合物束降解水解,然后施加机械应变(中间),单聚合物链降解(底部)。

 

参考文献:

Nabankur Dasgupta, Dundar E. Yilmaz, and Adri van Duin, Simulations of the Biodegradation of Citrate-Based Polymers for Artificial Scaffolds Using Accelerated Reactive Molecular DynamicsJ. Phys. Chem. B 124, 5311–5322 (2020)