An implicit solvent coarse-grained model for alginate hydrogels crosslinked with chitosan oligomers

Abstract

En grovkornet tilnærming er tatt i bruk i dette masterprosjektet for å undersøke hydrogeler i mikroskopisk skala ved bruk av molekylær dynamikksimuleringer. Hydrogelene som er studert er sammensatt av alginater tverrbundet med kitosanoligomerer med lengder 4 til 8 og er spesielt relevante for biomedisinske anvendelser. Å få innsikt i hvordan de mekaniske egenskapene til disse hydrogelene påvirkes av visse faktorer i mikroskopisk skala vil tillate utforming av nye materialer skreddersydd for spesifikke bruksområder. Derfor søker dette prosjektet kunnskap om hvordan de underliggende mikroskopiske fenomenene påvirker den makroskopiske oppførselen til disse hydrogelene. Hovedmålet var å utvikle en implisitt løsningsmiddel grovkornet modell for å studere rollen til alginatsammensetning, motioner, kitosanoligomerer og polymere effekter på gelstyrke. Modellen ble utviklet basert på atomistiske referansesimuleringer med kraftfeltene GLYCAM06 og CHARMM36. Konformasjonsegenskapene til den grovkornede modellen ble sammenlignet med eksperimentelle data som et valideringstrinn. Det ble funnet en tilfredsstillende overensstemmelse mellom simuleringer og eksperimenter. Modellen ble videre brukt på systemer i stor skala som er representativ for en hydrogel. En grundig analyse av gelstyrken basert på tidligere nevnte faktorer ble imidlertid ikke utført og overlates til fremtidige studier. Likevel reproduserte modellen eksperimentelt observerte trender og kastet lys over noen av de underliggende dynamikkene som kan påvirke den makroskopiske oppførselen til disse gelene.

A coarse-grained approach is adopted in this master's project to investigate hydrogels at the microscopic scale using molecular dynamics simulations. The hydrogels studied are composed of alginates crosslinked with chitosan oligomers of lengths 4 to 8 and are particularly relevant for biomedical applications. Obtaining insights into how the mechanical properties of these hydrogels are affected by certain factors at the microscopic scale would allow the design of novel materials tailored toward specific applications. Therefore, this project seeks knowledge of how the underlying microscopic phenomena affect the macroscopic behavior of these hydrogels. The main objective was to develop an implicit solvent coarse-grained model to study the role of alginate composition, counterions, chitosan oligomers, and polymeric effects on gel strength. The model was developed based on atomistic reference simulations with the GLYCAM06 and CHARMM36 force fields. The conformational properties of the coarse-grained model were compared to experimental data as a validation step. A satisfactory agreement was found between simulations and experiments. The model was further applied to large-scale systems representative of a hydrogel. However, a thorough analysis of the gel strength based on previously mentioned factors was not performed and is left for future studies. Still, the model reproduced experimentally observed trends and shed light on some of the underlying dynamics that may affect the macroscopic behavior of these gels.