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
Questo studio utilizza simulazioni di meccanica molecolare per dimostrare che, sebbene il cucurbit[8]urile mostri il legame più forte con una superficie di idrossiapatite, il bambus[6]urile in un orientamento parallelo offre un equilibrio ottimale tra un'energia di interazione sostanziale e una deformazione strutturale minima, rendendolo un candidato promettente per la funzionalizzazione di biomateriali compositi stabili.
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Nella ricerca di materiali migliori per la guarigione del corpo umano, gli scienziati guardano spesso ai mattoni costruttivi della natura stessa. Uno di questi materiali è l'idrossiapatite, un minerale che costituisce il nucleo strutturale duro delle nostre ossa e dei nostri denti. Poiché è molto simile a ciò che il nostro corpo già contiene, è una preferita per la creazione di impianti artificiali e scaffold che aiutano la rigenerazione dei tessuti. Tuttavia, per rendere questi materiali davvero utili per la medicina avanzata, come il rilascio di farmaci verso un tumore specifico o l'incoraggiamento della riparazione ossea, i ricercatori devono rivestirli con altre molecole in grado di agganciarsi a bersagli biologici. Due candidati promettenti per questo compito sono le grandi molecole ad anello note come cucurbiturili e bambusurili. Questi anelli sono rigidi, stabili e possiedono centri cavi capaci di contenere altre sostanze, agendo come minuscoli contenitori molecolari. La sfida risiede nel comprendere esattamente come questi anelli si attacchino alla superficie minerale del materiale osseo. Se si attaccano troppo debolmente, si staccano; se si attaccano troppo saldamente o cambiano troppo forma, potrebbero perdere la loro capacità di funzionare.
Un team di ricercatori di università di Tomsk, in Russia, si è proposto di risolvere questo enigma utilizzando una potente forma di simulazione al computer. Invece di mescolare sostanze chimiche in un laboratorio, hanno costruito un modello digitale di una fetta piatta di cristallo di idrossiapatite e vi hanno posizionato sopra le molecole ad anello. Hanno utilizzato un metodo chiamato meccanica molecolare, che calcola come gli atomi si spingono e si tirano a vicenda in base alle loro proprietà fisiche, per vedere quanto fortemente gli anelli rimarrebbero agganciati e se gli anelli sarebbero stati schiacciati o torcitisi nel processo. Lo studio si è concentrato su tre dimensioni di cucurbiturili e un tipo di bambusurile, testando come si comportavano quando stavano in piedi verticalmente contro la superficie rispetto a quando giacevano piatti.
Le simulazioni hanno rivelato che tutte le molecole ad anello potevano formare attacchi stabili alla superficie dell'idrossiapatite, ma la forza di quel legame variava significativamente a seconda della dimensione dell'anello e di come fosse posizionato. Il più grande dei cucurbiturili, noto come CB[8], ha mostrato l'aderenza più forte, con un'energia di legame di -16,73 kcal/mol quando stava in piedi perpendicolarmente alla superficie. Anche la molecola di bambusurile, stando in piedi, si è agganciata molto saldamente, con un'energia di legame di -15,07 kcal/mol. Tuttavia, questa forte adesione comportava un costo. L'anello CB[8] doveva distorcere maggiormente la propria forma per adattarsi al minerale, richiedendo quasi 1 kcal/mol per deformarsi. Al contrario, gli anelli più piccoli e il bambusurile quando giaceva piatto richiedevano pochissima energia per cambiare forma, con il bambusurile piatto che necessitava solo di 0,11 kcal/mol per sistemarsi in posizione.
Questo compromesso tra l'agganciare saldamente e il mantenere la propria forma è la scoperta centrale del lavoro. Sebbene il cucurbiturile più grande si attacchi con più forza, la sua significativa deformazione suggerisce che potrebbe essere meno ideale per applicazioni in cui la molecola deve mantenere la sua struttura esatta per funzionare correttamente. Il bambusurile, in particolare quando giace parallelo alla superficie, ha offerto una soluzione più equilibrata. Ha mantenuto una connessione forte e stabile con un'energia di legame di -13,81 kcal/mol pur cambiando quasi per nulla la propria forma. Ciò suggerisce che per la creazione di materiali compositi in cui l'integrità dell'anello molecolare è cruciale, il bambusurile disteso piatto sull'idrossiapatite potrebbe essere la scelta superiore. I ricercatori hanno scoperto che la superficie dell'idrossiapatite stessa è relativamente morbida e accomodante, permettendo a queste molecole di sistemarsi senza causare danni strutturali maggiori, ma l'orientamento specifico della molecola rimane la chiave per bilanciare stabilità e funzionalità.
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