Molecular-thermodynamic modeling of the distribution of the components of the solvent between a diblock copolymer and the volume of the solution

Abstract

Диблоксополимерные агрегаты являются весьма перспективными при разработке умных материалов для мицеллярной экстракции и катализа, для контролируемой доставки биопрепаратов и др., поскольку такие системы способны обратимо солюбилизировать и высвобождать биомолекулы, реагируя на слабые изменения внешних условий.

Экспериментальному исследованию и компьютерному моделированию распределения компонентов растворителя между диблоксополимерными агрегатами и окружающим раствором посвящено в последние годы большое количество публикаций, однако важнейшей и до сих пор нерешенной задачей является теоретическое описание такого распределения, его прогнозирование, исходя из молекулярных характеристик агрегатов и компонентов раствора.

В качестве первой и наиболее простой версии теории, в основу которой положен аппарат среднеполевой теории самосогласованного поля, в настоящей работе развит подход, в котором ядро мицеллы содержит лишь гидрофобные цепи диблоксополимера и имеет фиксированный размер, а компоненты растворителя способны концентрироваться лишь в короне агрегата вследствие сильных взаимодействий с ее фрагментами. На основании данного подхода было разработано соответствующее программное обеспечение, которое показало свою состоятельность на ряде экспериментальных и модельных систем, а также изучено влияние различных молекулярных характеристик компонентов системы на их пространственное распределение. Предсказанные для ряда систем размеры мицеллярных агрегатов удовлетворительно согласуются с имеющимися экспериментальными данными о гидродинамических радиусах.

Dibloсk copolymer aggregates are very promising for the development of smart materials in micellar extraction and catalysis, for controlled delivery of drugs, etc., since such systems may reversibly solubilize and release biomolecules in response to a mild change of external conditions.

A large number of publications have been devoted to experimental research and computer simulation of the partitioning of solvent’s components between diblock copolymer aggregates and the surrounding solution in recent years. An important but yet unsolved problem is the theoretical description of this partitioning, its prediction from the molecular characteristics of aggregates and solution components.

As the first and simplest version of the theory this study develops a version of the self-consistent field approach in which the micelle core contains only hydrophobic diblock copolymer chains and has a fixed size, and the solvent components may concentrate solely in the corona of the aggregate owing to preferential interactions with its constituents. To perform calculations with the aid of this theory, the software has been developed and tested for a number of experimental and model systems. The effect of various molecular characteristics of system components on their spatial distribution has been studied. The micellar sizes predicted from the model are in good agreement with experimental data on the hydrodynamic radii for a number of systems.