Assessment of Interaction and Deformation Energies of Cucurbit[n]urils (where n = 6,7,8) and Bambus[6]uril with a Hydroxyapatite Surface in Composite Biomaterials using Molecular Mechanics
Cette étude utilise des simulations de mécanique moléculaire pour démontrer que, bien que le cucurbit[8]uril présente la liaison la plus forte à une surface d'hydroxyapatite, le bambus[6]uril dans une orientation parallèle offre un équilibre optimal entre une énergie d'interaction substantielle et une déformation structurelle minimale, ce qui en fait un candidat prometteur pour la fonctionnalisation de biomatériaux composites stables.
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Dans la quête de la création de meilleurs matériaux pour la guérison du corps humain, les scientifiques se tournent souvent vers les propres blocs de construction de la nature. L'un de ces matériaux est l'hydroxyapatite, un minéral qui constitue le noyau dur et structurel de nos os et de nos dents. Parce qu'elle est si similaire à ce que notre corps contient déjà, elle est privilégiée pour la création d'implants artificiels et d'échafaudages qui aident les tissus à se régénérer. Cependant, pour rendre ces matériaux véritablement utiles pour la médecine de pointe, telle que l'administration de médicaments à une tumeur spécifique ou l'encouragement de la réparation osseuse, les chercheurs doivent les revêtir d'autres molécules capables de s'agripper à des cibles biologiques. Deux candidats prometteurs pour cette tâche sont de grandes molécules en forme d'anneau connues sous le nom de cucurbiturils et de bambusurils. Ces anneaux sont rigides, stables et possèdent des centres creux capables de contenir d'autres substances, agissant comme de minuscules conteneurs moléculaires. Le défi réside dans la compréhension exacte de la manière dont ces anneaux adhèrent à la surface minérale du matériau osseux. S'ils adhèrent trop lâchement, ils se détachent ; s'ils adhèrent trop fortement ou changent trop de forme, ils pourraient perdre leur capacité à fonctionner.
Une équipe de chercheurs issus d'universités de Tomsk, en Russie, s'est donné pour mission de résoudre ce casse-tête en utilisant une forme puissante de simulation informatique. Au lieu de mélanger des produits chimiques dans un laboratoire, ils ont construit un modèle numérique d'une tranche plate de cristal d'hydroxyapatite et y ont placé les molécules en forme d'anneau. Ils ont utilisé une méthode appelée mécanique moléculaire, qui calcule comment les atomes se poussent et se tirent les uns les autres en fonction de leurs propriétés physiques, pour voir avec quelle force les anneaux s'accrocheraient et si les anneaux seraient écrasés ou tordus au cours du processus. L'étude s'est concentrée sur trois tailles de cucurbiturils et un type de bambusuril, testant leur comportement lorsqu'ils se tenaient debout, perpendiculairement à la surface, par rapport à lorsqu'ils étaient couchés à plat.
Les simulations ont révélé que toutes les molécules d'anneaux pouvaient former des attaches stables à la surface de l'hydroxyapatite, mais la force de cette liaison variait considérablement selon la taille de l'anneau et sa position. Le plus grand des cucurbiturils, connu sous le nom de CB[8], présentait l'adhérence la plus forte, avec une énergie de liaison de -16,73 kcal/mol lorsqu'il se tenait perpendiculairement à la surface. La molécule de bambusuril, lorsqu'elle se tenait debout, s'accrochait également très fermement, avec une énergie de liaison de -15,07 kcal/mol. Cependant, cette forte adhésion avait un coût. Le cycle CB[8] a dû déformer sa forme le plus possible pour s'ajuster au minéral, nécessitant près de 1 kcal/mol pour se déformer. En revanche, les anneaux plus petits et le bambusuril lorsqu'il était couché à plat nécessitaient très peu d'énergie pour changer de forme, le bambusuril à plat n'ayant besoin que de 0,11 kcal/mol pour se mettre en place.
Ce compromis entre l'adhérence forte et le maintien de sa propre forme est la découverte centrale de ce travail. Bien que le plus grand cucurbituril soit celui qui colle le plus fort, sa déformation significative suggère qu'il pourrait être moins idéal pour les applications où la molécule doit conserver sa structure exacte pour fonctionner correctement. Le bambusuril, particulièrement lorsqu'il est couché parallèlement à la surface, a offert une solution plus équilibrée. Il maintenait une connexion forte et stable avec une énergie de liaison de -13,81 kcal/mol tout en changeant à peine de forme. Cela suggère que pour la création de matériaux composites où l'intégrité de l'anneau moléculaire est cruciale, le bambusuril couché à plat sur l'hydroxyapatite pourrait être le choix supérieur. Les chercheurs ont découvert que la surface d'hydroxyapatite elle-même est relativement souple et accommodante, permettant à ces molécules de s'installer sans causer de dommages structurels majeurs, mais l'orientation spécifique de la molécule reste la clé pour équilibrer stabilité et fonctionnalité.
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