Desarrollo de un modelo mesoscópico para dendrímeros

Abstract

Recientemente, un tipo de polímeros denominados dendrímeros, han suscitado un gran interés, debido a sus múltiples aplicaciones en varios campos. La principal característica de los dendrímeros es que se trata de un polímero que crece de forma ramificada.
Esta propiedad es útil debido a que en los extremos del dendrímero se pueden hacer reaccionar con grupos activos, los cuales les pueden dar características específicas para cierto tipo de aplicaciones. Debido a que crecen ramificados, a medida que se aumenta las generaciones del mismo, se van aumentando exponencialmente los posibles grupos activos situados en los extremos, lo que hace que sea muy interesante en distintas aplicaciones.
Una de las aplicaciones en las que es interesante este tipo de polímeros es en la creación de biosensores, para ello es necesario acoplar nanopartículas de oro en los huecos del sistema, sin embargo, la medida física de la geometría del sistema está sujeta a un importante grado de incertidumbre, pues los métodos actuales deforman a la molécula.
Por ello, en el presente trabajo, se recurre a la química computacional para realizar un estudio que proporcione resultados sobre la geometría del sistema y los posibles huecos presentes en el mismo que puedan ser aprovechados para interactuar con nanopartículas de oro.
Al tratarse de un sistema ramificado, al aumentar las generaciones, el número de átomos crece exponencialmente, por lo que es inviable realizar un modelo atomístico para describir el comportamiento en cualquier generación. Nace así la necesidad de realizar una aproximación, en este caso se utilizará un modelo mesoscópico que permite simplificar el sistema y poder extrapolarlo así a cualquier orden.
Por tanto, el objetivo de este proyecto es desarrollar el modelo mesoscópico, contrastar y validar dicho modelo con los resultados de las simulaciones atomísticas de los sistemas de menor tamaño y finalmente extrapolar para cualquier generación.
Además, también se estudiará la evolución del modelo en condiciones de agua. Sin embargo, el alcance de este proyecto impide estudiar otras alteraciones como restricciones físicas o bien la influencia de grupos radicales en el sistema, dejando estos parámetros para líneas futuras para consolidar el modelo.
Como se ha mencionado anteriormente, el desarrollo del proyecto se fundamenta en la utilización de la química computacional. Para poder realizar los cálculos empleados se emplea unas herramientas informáticas que permiten las operaciones y el tratamiento de resultados. Dichas herramientas son:
- Ascalaph: herramienta de libre distribución, que permite construir moléculas en 3D y guardar sus geometrías optimizadas para su posterior tratamiento con otro tipo de programas.
- ATB: portal en línea con una base de parámetros para simulaciones clásicas de múltiples moléculas, y que permite generar los parámetros para nuevas moléculas.
- GROMACS: programa de libre distribución en base Linux, que permite realizar simulaciones de mecánica y dinámica molecular.
- VMD: programa de libre distribución que permite visualizar o analizar moléculas, inicialmente concebido para analizar sistemas biológicos como proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, etc.
- Molden: programa de libre distribución en base Linux que permite mostrar orbitales moleculares, densidades electrónicas y densidades atómicas.
Una vez completada la obtención de los parámetros del potencial clásico para los dendrímeros a estudiar, se realiza la dinámica molecular, a nivel atomístico, como base para la construcción del modelo mesoscópico realizando un mapeado del sistema, agrupando los átomos pesados en grupos de 4 o 5 átomos.
Para la construcción del modelo mesoscópico, es necesario realizar iteraciones sobre las constantes de los ángulos que definen la geometría de cada generación.
Una vez definidos los parámetros del modelo mesoscópico, se realiza de nuevo la simulación con esta aproximación desde la generación 0 a la 6.
Una vez estudiados los parámetros se observa que todos los resultados entran dentro de los valores esperados y los observados en bibliografía, por lo que se da como bueno el ajuste mesoscópico.
A continuación, se repite la simulación en agua, para ello se define una caja de agua que interacciona con una molécula del sistema. Se realizan los mismos análisis y se comparan con los resultados obtenidos en vacío, obteniéndose unos valores muy aproximados, por lo que se puede concluir que el efecto del agua no es demasiado significativo en la evolución general del sistema.
Se ha generado un modelo mesoscópico a partir de simulaciones atomísticas, dicho modelo resulta satisfactorio para describir a los dendrímeros estudiados, en situaciones de vacío y en agua. Además, abre las puertas a incluir la presencia de grupos ferrocenos y la generación de nanopartículas.