Τίτλος διατριβής : «Mελέτη φυσικοχημικών ιδιοτήτων συστημάτων υπερδιακλαδισμένων πολυμερών και συμπλεγμάτων αυτών με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής» Υποψήφιος Διδάκτορας : Τάνης Ιωάννης Περίληψη Στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής εξετάσθηκε ένα χαρακτηριστικό υπερδιακλαδισμένο πολυμερές της οικογένειας των πολυεστεραμιδών που φέρει το εμπορικό όνομα Hybrane με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής. Για να ριχτεί φως στη σύνδεση που υπάρχει μεταξύ των ιδιοτήτων του και της δομή του κατασκευάστηκε ατομιστικό μοντέλο του πολυμερούς σε κατάσταση τήγματος που περιείχε 40 μόρια του υπερδιακλαδισμένου και ερευνήθηκε λεπτομερώς η συμπεριφορά του σε ευρεία κλίμακα θερμοκρασιών καλύπτοντας θερμοκρασίες πολύ πιο πάνω αλλά και κοντά στην πειραματική θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης. Το μοντέλο που επιλέχθηκε προέκυψε ότι παρέχει μια επαρκή περιγραφή πειραματικών δεδομένων που αποκτήθηκαν από μετρήσεις θερμιδομετρίας (θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης), χρωματογραφίας (παράμετροι διαλυτότητας μέσω ανάστροφης αέριας χρωματογραφίας) και ρεολογίας (θερμοκρασιακή εξάρτηση του μακροσκοπικού ιξώδους). Βασισμένοι στη συμφωνία με τα πειράματα και στην ατομιστική λεπτομέρεια των προσομοιώσεων, ερευνήσαμε στατικές και δυναμικές ιδιότητες σε διάφορες χωρικές και χρονικές κλίμακες, καθώς και τη δυνατότητα του μορίου να σχηματίζει υδρογονικούς δεσμούς. H δομή του συστήματος παρέμεινε άμορφη στο εύρος των θερμοκρασιών που εξετάστηκαν. Με τη μείωση της θερμοκρασίας, ο βαθμός αλληλοεισχώρησης μεταξύ γειτονικών μορίων αυξήθηκε ενώ ταυτόχρονα αναπτύχθηκαν χωρικές ετερογένειες κοντά στο κέντρο μάζας των μορίων. Οι στενές διαμοριακές επαφές που προκύπτουν
κοντά στην επιφάνεια των μορίων βρέθηκε ότι συνεισφέρουν σχεδόν κατά διπλάσιο παράγοντα στην ενέργεια που σχετίζεται με διαλυτική συμπεριφορά του συστήματος (ενέργεια συνοχής) από ότι οι ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις. Μέσω του υπολογισμού της ενέργειας συνοχής του μορίου τόσο σε κατάσταση τήγματος όσο και σε αέρια φάση κατέστη δυνατό να προσδιοριστεί η παράμετρος διαλυτότητάς του κατά Hildebrand στο εύρος των θερμοκρασιών που μελετήθηκαν, οι τιμές της οποίας συγκρίνονται ικανοποιητικά με προβλέψεις θεωρητικού μοντέλου. Σε ότι αφορά τις δυνατότητες σχηματισμού υδρογονικών δεσμών του hybrane, βρέθηκαν ζεύγη δοτών-δεκτών τόσο εντός του μορίου αλλά και μεταξύ διαφορετικών πολυμερικών μορίων. Σαν γενική εικόνα, η πιθανότητα σχηματισμού δεσμού υδρογόνου αυξάνει με τη μείωση της θερμοκρασίας. Μετά την εξέταση δύο ζευγαριών ικανών για σχηματισμό υδρογονικού δεσμού στα οποία μετείχαν καρβονυλικά οξυγόνα, διαπιστώθηκε ότι ήταν ευνοϊκότερος ο σχηματισμός υδρογονικού δεσμού από το εστερικό καρβονυλικό οξυγόνο ενώ σημειώθηκε επίσης αυξημένη πιθανότητα δημιουργίας υδρογονικού δεσμού από τα υδροξυλικά οξυγόνα. Ο κύριος μηχανισμός που σχετίζεται με τη σύνδεση/σπάσιμο μεταξύ των δοτώνδεκτών στους υδρογονικούς δεσμούς ανιχνεύθηκε σε χρονική κλίμακα τάξης από 0.01 έως 0.1 ps ανάλογα με τη θερμοκρασία τόσο για ενδο- όσο και για διαμοριακά ζεύγη. Στα ενδομοριακά ζεύγη παρατηρήθηκε μια επιπλέον διεργασία διάρκειας κατά εκατοντάδες φορές μεγαλύτερης που παρουσιάζει ισχυρή εξάρτηση από τη θερμοκρασία. Βασιζόμενοι στη χρονική κλίμακα και στο γεγονός ότι πρόκειται για διεργασία που εμφανίζεται μόνο στα ενδομοριακά ζεύγη, είναι λογικό να αναζητηθεί η προέλευσή της στην εσωτερική δυναμική του μορίου. H σύγκριση της χρονικής κλίμακας της αργής διεργασίας με εκείνη που αντιστοιχεί στις διακυμάνσεις μεγέθους/σχήματος («αναπνοή») του μορίου υποστηρίζει το προηγούμενο
επιχείρημα. Αυτή η εύρεση υποδηλώνει ότι τα χαρακτηριστικά της διαμόρφωσης του εξεταζόμενου μορίου παίζουν σημαντικό ρόλο στην δυνατότητά του να περιλαμβάνει δεσμούς υδρογόνου στο εσωτερικό του. Αυτή κίνηση «αναπνοής» του μορίου φαίνεται να συσχετίζεται με τη γενική περιστροφή του. Η χρονική κλίμακα που περιγράφει αυτές τις κινήσεις αντιστοιχεί στο μέγιστο αναμενόμενο χρόνο αποκατάστασης του μορίου και ακολουθεί σε καλή προσέγγιση τη θερμοκρασιακή αναλογία του πειραματικά υπολογισμένου μακροσκοπικού ιξώδους. Παρόμοια εξάρτηση από τη θερμοκρασία φαίνεται να ακολουθεί και η δυναμική στην τοπική κλίμακα του δεσμού, ιδιαίτερα για δεσμούς που βρίσκονται στο εσωτερικό του μορίου. Με αυτές τις ενδείξεις τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν ότι το hybrane συμπεριφέρεται σαν ένα θερμορεολογικά απλό πολυμερές. Αρκετά από τα δομικά χαρακτηριστικά του hybrane (διακλάδωση, παρουσία ομάδων που σχηματίζουν υδρογονικούς δεσμούς στο εσωτερικό και στην περιφέρεια, απουσία περιπλοκών της μακροαλύσου και ικανότητα αλληλοεισχώρησης μεταξύ διαφορετικών μορίων), συναντιόνται σε ένα ευρύ φάσμα υπερδιακλαδισμένων πολυμερών (π.χ πολυαμιδοαμίνες, πολυεστέρες κ.λ.π). Γι αυτό και οι μηχανισμοί που συζητήθηκαν στο παρόν κεφάλαιο μπορούν να θεωρηθούν μια καλή βάση για την περιγραφή συστημάτων με χαρακτηριστικά παρόμοια με το hybrane. Στο δεύτερο κεφάλαιο δημιουργήθηκαν πλήρως ατομιστικά συστήματα τηγμάτων δύο υπερδιακλαδισμένων αλειφατικών πολυεστέρων διαφορετικών ψευδογενεών που φέρουν τερματικές ομάδες υδροξυλίων (Boltorn H20 και H30) με σκοπό τη μελέτη της δυναμικής τους σε τοπική κλίμακα και των ιδιοτήτων των δεσμών υδρογόνου που σχηματίζουν σε ενδομοριακό και διαμοριακό επίπεδο. Σκοπός της εργασίας ήταν να ριχτεί φως στους μηχανισμούς που καθορίζουν τη δυναμική συμπεριφορά των συστημάτων σε τοπική κλίμακα και ιδιαίτερα στη σχέση τους με τις ιδιότητες των
αλληλεπιδράσεων δεσμών υδρογόνου, διευκολύνοντας έτσι την ερμηνεία σχετικών πειραματικών μετρήσεων. Πρόκειται για την πρώτη ατομιστική προσομοίωση αυτών συστημάτων όπου επιχειρήθηκε μια περιγραφή των ιδιοτήτων της δυναμικής τους σε τοπική κλίμακα σε αυτό το επίπεδο λεπτομέρειας. Με τη βοήθεια αυτής της προσέγγισης, κατέστη δυνατό να εξαχθούν ποιοτικές και εν μέρει ποσοτικές πληροφορίες για το σχηματιζόμενο δίκτυο δεσμών υδρογόνου καθώς και για το βαθμό στον οποίο επηρεάζουν οι ιδιότητες των δεσμών υδρογόνου την τοπική δυναμική απόκριση. Από τα αποτελέσματα που παράχθηκαν κατέστη φανερή η επίπτωση της τοπολογίας του υπερδιακλαδισμένου πολυμερούς στη φυσική συμπεριφορά του. Βρέθηκε ότι ο πολυεστέρας της χαμηλότερης ψευδογενεάς Η20, παρουσίασε σημαντικά βραδύτερη δυναμική δεσμών στους οποίους μετέχουν άτομα που παίρνουν μέρος σε δεσμούς υδρογόνου. Το κυριότερο χαρακτηριστικό που διαφοροποιεί τη συμπεριφορά του από τον πολυεστέρα μεγαλύτερης γενιάς αποτελεί η πολύ μεγαλύτερη τάση για σχηματισμό ενδομοριακών δεσμών υδρογόνου μεταξύ των υδροξυλικών υδρογόνων και τω υδροξυλικών οξυγόνων. Αν C και = O βρέθηκε ότι ο υδρογονικός δεσμός αυτού του τύπου έχει τη μεγαλύτερη συχνότητα και στα δύο συστήματα, ο μέσος αριθμός των ενδομοριακών δεσμών στον πολυεστέρα Η20 είναι μεγαλύτερος κατά 40% ως 70% (ανάλογα με τη θερμοκρασία) από εκείνον του μοντέλου Η30. Αυτή η διαφοροποίηση σχετίζεται με τις δομικές διαφορές των δύο συστημάτων. Η μεγαλύτερη αφθονία δεσμών του τύπου στο μοντέλο μικρότερου μεγέθους σε συνδυασμό με το μεγαλύτερο χρόνο ζωής αυτού του δεσμού, φαίνεται ότι επιβραδύνει αισθητά τον επαναπροσανατολισμό δεσμών που σχηματίζονται από υδροξυλικα οξυγόνα και υδρογόνα. Αυτή η διαπίστωση έδωσε μια νέα βάση εξήγησης σχετικών πειραματικών παρατηρήσεων, όπου σημειώθηκε ότι η δυναμική των υδροξυλικών ομάδων που σχετίστηκε με την διεργασία αποκατάστασης γ, είχε χαρακτηριστικά μιας πιο περιορισμένης και/ή πιο συνεργατικής κίνησης στον πολυεστέρα Η20 συγκρινόμενη με αυτή που ανιχνεύθηκε στο μοντέλο Η30 και σε πολυεστέρες μεγαλύτερης γενιάς που ανήκουν στην ίδια οικογένεια, κάτι που δεν αναμενόταν βάσει της τοπικής φύσης της κίνησης και της δυναμικής συμπεριφοράς των ομάδων OΗ σε άλλα πολυμερή. Επιπλέον, αποτελέσματα από την προσομοίωση υποστηρίζουν την ύπαρξη ενδομοριακού δεσμού του τύπου ΗΟ ΗΟ σε αυτά τα συστήματα που είχε
υποπτευθεί μετά από ενδείξεις πειραμάτων φασματοσκοπίας υπερύθρου. Ο σχηματισμός αυτού του δεσμού υδρογόνου πολλαπλού τύπου ευνοείται στο μοντέλο μεγαλύτερου μεγέθους και είναι ευαίσθητος στις μεταβολές της θερμοκρασίας σε αντίθεση με τη συμπεριφορά που παρατηρήθηκε στο μικρότερο μοντέλο. H ατομιστική λεπτομέρεια που προσφέρθηκε από τη προσομοίωση και ανάλυση αυτής της μορφής ήταν αναγκαία για τη βαθιά κατανόηση μηχανισμών που δρουν σε ατομιστικό επίπεδο και επηρεάζουν σημαντικά τις φυσικές ιδιότητες συστημάτων που μελετήθηκαν. Στο τρίτο κεφάλαιο κατασκευάστηκαν σε πλήρως ατομιστική αναπαράσταση υδατικά διαλύματα PAMAM δενδριμερών 3 ης και 4 ης γενιάς σε διαφορετικές συνθήκες ph με ή χωρίς την παρουσία γραμμικής αλυσίδας PEO για να εξεταστούν στατικές/γεωμετρικές ιδιότητες, ενδο- και διαμοριακές αλληλεπιδράσεις δεσμών υδρογόνου στις οποίες συμμετέχουν χαρακτηριστικές ομάδες του δενδριμερούς, το νερό αλλά και το γραμμικό πολυμερές, καθώς και η δυναμική σε τοπική κλίμακα μέσω του επαναπροσανατολισμού χαρακτηριστικών δεσμών του πολυμερούς και του γραμμικού πολυμερούς. Κάθε σύστημα περιείχε ένα μόριο δενδριμερούς και ένα μόριο γραμμικής αλυσίδας μήκους ίσου με τον αριθμό των περιφερειακών ομάδων του δενδριμερούς. Σκοπός της μελέτης ήταν η εξέταση των επιπτώσεων που προκαλεί η σύζευξη του γραμμικού πολυμερούς με το δενδριμερές στα δομικά και δυναμικά χαρακτηριστικά του τελευταίου. Επιπλέον, ερευνήθηκαν οι συνθήκες και μηχανισμοί που ευθύνονται για τη σύζευξη των πολυμερικών μορίων. Σε όλα τα εξεταζόμενα συστήματα το σχήμα των δενδριτικών μορίων ήταν σχεδόν σφαιρικό. Απούσης της γραμμικής αλυσίδας, ο βαθμός απόκλισης του σχήματος του δενδριμερούς από τη σφαιρική γεωμετρία στα διαλύματα σε νερό παρουσίασε ασθενή εξάρτηση από το ph συμφωνώντας με προηγούμενες μελέτες. H εισαγωγή της γραμμικής αλυσίδας κοντά στην επιφάνεια του δενδριμερούς έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της σχετικής ανισοτροπίας σχήματος του δενδριμερούς σε σημαντικό βαθμό σε συνθήκες φυσιολογικού ph. Ουσιώδεις μεταβολές στα προφίλ πυκνότητας των δενδριμερών που προέκυψαν μετά την πρωτονίωση των πρωτοταγών και τριτοταγών αμινών σε συνδυασμό με την προαναφερθείσα εικόνα αποδεικνύουν ότι οι δραστικές αλλαγές που μπορούν να
συμβούν στην εσωτερική δενδριτική δομή δεν συνοδεύονται απαραίτητα από ανάλογες μεταβολές στο σχήμα τους όπως έχει τονιστεί και σε πειραματικές έρευνες. Παρατηρήθηκαν ποιοτικές αλλαγές στα προφίλ πυκνότητας μεταξύ συστημάτων διαφορετικών γενιών μόνο έπειτα από την πρωτονίωση των περιφερειακών αμινών, με τα συστήματα 4 ης γενιάς να παρουσιάζουν μεγαλύτερη απόκριση ως προς την εσωτερική διαμόρφωση σε φυσιολογικές συνθήκες ρη. Αυτές οι αλλαγές επιτρέπουν μεγαλύτερο βαθμό εισχώρησης αντισταθμιστικών ιόντων στο εσωτερικό του δενδριμερούς κάτι που επιβεβαιώνεται και από πειράματα σκέδασης νετρονίων υπό μικρή γωνία. Μελετώντας τα προφίλ πυκνότητας των μορίων νερού ως προς το κέντρο μάζας του δενδριμερούς, βρέθηκε ότι σε όλες τις περιπτώσεις η πυκνότητα του διαλύτη παρέμεινε χαμηλότερη από την τιμή του αμιγούς νερού θέτοντας καινούρια βάση για την εξήγηση σχετικών πειραμάτων SANS. Ενώ σε υψηλό ρη η διείσδυση περιορίζεται στη δενδριτική περιφέρεια, σε όξινο περιβάλλον τα προφίλ πυκνότητας του νερού παρέμειναν περίπου επίπεδα σε μακρινές αποστάσεις από τον πυρήνα και την περιφέρεια ανεξάρτητα από το μέγεθος του δενδριμερούς. Σε όλες τις συνθήκες ρη, το κλάσμα όγκου των διαπερνώντων μορίων νερού ως προς τον όγκο της σφαίρας που ορίζεται από τα όρια του δενδριμερούς αυξάνει όσο μειώνεται το ρη αλλά δεν εξαρτάται από το δενδριτικό μέγεθος όπως τονίζεται και από το πείραμα. Τα προφίλ των αντισταθμιστικών ιόντων δείχνουν ότι σε συνθήκες χαμηλού ρη εισχωρούν βαθιά εντός του δενδριμερούς για να ουδετεροποιήσουν τις φορτισμένες αμίνες για να μειωθούν μονότονα καθώς κινούμαστε προς την περιφέρεια. Σε αντίθεση με τη συμπεριφορά του διαλύτη, το κλάσμα όγκου των διαπερνώντων ιόντων παρουσιάζει σημαντική αύξηση με το μέγεθος του δενδριμερούς και μάλλον ασθενή συσχέτιση με το ρη, κάτι που βρίσκεται σε συμφωνία με μετρήσεις SANS. H παρουσία της αλυσίδας ΡΕΟ δεν επηρεάζει σημαντικά τα παραπάνω προφίλ πυκνότητας. Μικρές αλλαγές παρατηρούνται στα μοντέλα της 4 ης γενιάς, πιθανόν εξαιτίας της πιο ανοιχτής δομής των δενδριμερών μεγάλου μεγέθους. H εξερεύνηση της δυνατότητας των μοντέλων να σχηματίζουν ενδο- και διαμοριακούς δεσμούς υδρογόνου έδειξε ότι η σύζευξη αυτού του είδους μεταξύ τμημάτων του δενδριμερούς αλλά και μεταξύ δενδριμερούς και του ΡΕΟ ή των μορίων νερού μπορεί να διαδραματίσει ουσιαστικό ρόλο στην ικανότητα τέτοιων συστημάτων να σχηματίζουν συμπλέγματα με ουσίες που έχουν την ίδια δυνατότητα, καθώς και στα χαρακτηριστικά των διαμορφώσεων των δενδριτικών μορίων.
Σε ότι αφορά τους ενδομοριακούς δεσμούς υδρογόνου των ζευγών υδρογόνο πρωτοταγούς αμίνης H3-καρβονυλικό οξυγόνο O, αποδείχτηκε ότι είναι αυτοί που δημιουργούνται συχνότερα και διατηρούνται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα σε καταστάσεις βασικού ρh. Η κλίμακα του χρόνου ζωής είναι συγκρίσιμη της χρονικής διάρκειας των αλλαγών της διαμόρφωσης του μορίου. Κάτω από αυτές τις συνθήκες δεν παρατηρούνται δεσμοί υδρογόνου μεταξύ δενδριμερούς και ΡEO. Όταν μειώνεται το ρh, οι ενδομοριακοί δεσμοί υδρογόνου μειώνονται δραστικά. Αυτή η μείωση δικαιολογείται λόγω των πιο «ανοιχτών» διαμορφώσεων των πρωτονιωμένων δενδριμερών που επιτρέπουν μεγαλύτερη διείσδυση διαλύτη εντός τους και συνεπώς περισσότερους δεσμούς ΡΑΜΑΜ-νερού που δρουν ανταγωνιστικά προς τους αντίστοιχους ενδομοριακής φύσης. Ο σχεδόν κατά 50% μικρότερος αριθμός των H3- O ενδομοριακών δεσμών υδρογόνου σε χαμηλό ρh σε σχέση με τα συστήματα ουδέτερου ρh, μπορεί να αποδοθεί στην αύξηση του κλάσματος όγκου των διαπερνώντων μορίων νερού σε συνδυασμό με την πιθανότητα δημιουργίας δεσμού υδρογόνου μεταξύ του καρβονυλικού οξυγόνου και της φορτισμένης τριτοταγούς αμίνης. Το μέγεθος των δενδριμερών και η παρουσία του ΡEO δεν φάνηκε να επηρεάζουν σημαντικά την παραπάνω εικόνα. Οι διαμοριακοί δεσμοί υδρογόνου μεταξύ ΡΑΜΑΜ και νερού, όπως επίσης μεταξύ ΡΑΜΑΜ και ΡEO, ευνοούνται ιδιαίτερα σε πρωτονιωμένα συστήματα. Μελετώντας το ζευγάρι καρβονυλικό οξυγόνο Ο-υδρογόνο νερού ΗW, προκύπτει ότι η τάση για σχηματισμό δεσμού υδρογόνου αυξάνεται κατά περίπου 30% στην πλήρως φορτισμένη κατάσταση σε σχέση με τα αφόρτιστα συστήματα. Σε αυτό συμβάλλει και η μεγάλη πτώση των ενδομοριακών δεσμών υδρογόνου σε συνθήκες πρωτονίωσης με αποτέλεσμα να μειώνονται οι ανταγωνιστικές προς το ζεύγος O-HW υδρογονικές αλληλεπιδράσεις Ο-Η3. Η παρουσία του γραμμικού πολυμερούς έχει αισθητή επίπτωση στα βασικά και ουδέτερα συστήματα και προκαλεί ελάττωση του αριθμού τωμν υδρογονικών δεσμών κατά 11 και 19 % αντίστοιχα. Ο χρόνος ζωής των δεσμών υδρογόνου είναι μικρότερος στην όξινη κατάσταση λόγω της δομής του δενδριμερούς που επιτρέπει περισσότερη ελευθερία κίνησης στα εγκλωβισμένα μόρια νερού αλλά και στα «κλαδιά» του πολυμερούς. Στο εξεταζόμενο ζευγάρι υδρογόνο πρωτοταγούς αμίνης H3-οξυγόνο νερού OW, ο μέσος αριθμός των δεσμών υδρογόνου ανά άτομο H3 αυξάνει κατά παράγοντα 6, ενώ ο χαρακτηριστικός χρόνος ζωής ανέρχεται κατά ένα παράγοντα συγκρίσιμο με αυτόν της μη-πρωτονιωμένης κατάστασης. Αυτά τα χαρακτηριστικά δεν διαφοροποιούνται ιδιαίτερα όταν αλλάζει
το μέγεθος του δενδριμερούς, αλλά παρατηρείται μείωση από 3% ως 5% στον αριθμό των σχηματιζόμενων ζευγών κατά την παρουσία του ΡΕΟ. H τελευταία παρατήρηση αποδίδεται στην ανταγωνιστική τάση του ΡΕΟ να σχηματίζει δεσμούς υδρογόνου με τα άτομα H3 του ΡAMAM όπως αναφέρθηκε νωρίτερα. Στα πρωτονιωμένα συστήματα ο αριθμός των δεσμών υδρογόνου μεταξύ των περιφερειακών αμινών και των αιθερικών οξυγόνων του ΡΕΟ, σχεδόν διπλασιάζεται σε σχέση με αυτόν σε ουδέτερο ph. Μπορούμε έτσι να συμπεράνουμε ότι τα συμπλέγματα του δενδριμερούς με το ΡΕΟ σε όξινο ph αναμένεται να είναι περισσότερο ευσταθή. H αλλαγές στην κατάσταση ph του διαλύματος αλλά και στο μέγεθος του μορίου φαίνεται ότι επηρεάζουν τη δυναμική του δενδριμερούς σε τοπική κλίμακα όπως αποδεικνύεται από τη μελέτη του ρυθμού επαναπροσανατολισμού του χαρακτηριστικού δεσμού καρβονυλικού άνθρακα C- αμιδικού αζώτου N. Ο δεσμός χαλαρώνει γρηγορότερα σε όξινο περιβάλλον βρίσκοντας λιγότερη δυσκολία στην κίνηση του λόγω δομής, ενώ στα συστήματα 4 ης γενιάς η παρουσία του γραμμικού μορίου επιβραδύνει αισθητά την κίνηση επαναπροσανατολισμού, κάτι που δεν συμβαίνει στα συστήματα μικρότερου μεγέθους. H εξέταση του ρυθμού επαναπροσανατολισμού του δεσμού άνθρακα CT-αιθερικού οξυγόνου ΟΕ του γραμμικού πολυμερούς αποκαλύπτει ότι η κίνηση σε τοπική κλίμακα επηρεάζεται σημαντικά από τη σύζευξή του με το δενδριμερές μέσω δεσμών υδρογόνου. H συμμετοχή του αιθερικού οξυγόνου του ΡΕΟ σε υδρογονικές αλληλεπιδράσεις με το υδρογόνο της πρωτοταγούς αμίνης του δενδριμερούς στις συνθήκες πρωτονίωσης οδηγεί σε αύξηση της χρονικής κλίμακας χαλάρωσης του δεσμού σε ουδέτερο και όξινο ph. H αύξηση είναι εντονότερη στο γραμμικά μόρια μεγαλύτερου μεγέθους. Σε βασικό περιβάλλον ο δεσμός επαναπροσανατολίζεται σε χρονική κλίμακα που δεν μεταβάλλεται με το μέγεθος του μορίου. Σαν γενικό συμπέρασμα, η παρουσία του ΡΕΟ δεν επηρεάζει αρνητικά καμία από τις επιθυμητές τους σε εφαρμογές ιδιότητες, όπως η απόκριση της δενδριτικής δομής στο ph του διαλύματος και η δυνατότητά τους να σχηματίζουν μη δεσμικά συμπλέγματα μέσω υδρογονικών δεσμών. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάστηκαν οι συνθήκες σύζευξης του ΡAMAM δενδριμερούς με τη φαρμακευτική ουσία ibuprofen σε υδατικά διαλύματα.
Αναπαραστάθηκαν οι δυνατές καταστάσεις ph στις οποίες έχει βρεθεί το σύστημα PAMAM/ibuprofen σε σχετικές πειραματικές μελέτες καθώς και μία μη ρεαλιστική κατάσταση διαλύματος για λόγους σύγκρισης. Επιλέχθηκε η πλήρης ατομιστική αναπαράσταση, ενώ κάθε διάλυμα περιείχε ένα μόριο PAMAM δενδριμερούς 3 ης γενιάς και αριθμό φαρμακευτικών μορίων ίσο με αυτό των τερματικών ομάδων του δενδριτικού πολυμερούς. H επιλογή αυτή πάρθηκε λαμβάνοντας υπόψη πειραματικές μελέτες στις οποίες η εξέταση σύζευξης διαφόρων μεγεθών του δενδριμερούς με περίσσεια μορίων ibuprofen αποκάλυψε ότι ο μέγιστος αριθμός των φαρμακευτικών μορίων που εγκλωβίστηκαν στο εσωτερικό του δενδριτικού μορίου δεν ξεπέρασε τον αριθμό των τερματικών ομάδων του πολυμερούς. Ο συνδυασμός των αποτελεσμάτων της στατικής και δυναμικής ανάλυσης που πραγματοποιήθηκε στα συστήματα δενδριμερούς/ibuprofen, αποκάλυψε πως, σε διαφορετικές συνθήκες ph, διαφορετικοί μηχανισμοί ευθύνονται για το σχηματισμό συμπλεγμάτων δενδριμερούς/φαρμάκων σε υδατικά συστήματα. Σε χαμηλό ph, δεν παρατηρήθηκαν ευσταθή συμπλέγματα δενδριμερούς/φαρμάκου σε αντιστοιχία με πειραματικές μετρήσεις παρά τη μεγαλύτερη διαθεσιμότητα λόγω πιο «ανοικτής» δομής τμημάτων του δενδριμερούς που είναι ικανά να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου. Σε αυτό το σύστημα, τα υδροφοβικά φαρμακευτικά μόρια προτιμούν να σχηματίζουν συσσωματώματα (cluster) που μπορούν να διαχέονται μακριά από το δενδριμερές παρά να συζευχθούν με αυτό. Σε συνθήκες φυσιολογικού ph, η σύζευξη δενδριμερούς/φαρμάκου ενθαρύνεται κυρίως μέσω υδρογονικών δεσμών μεταξύ των μορίων ibuprofen και των αμιδικών υδρογόνων και καρβοξυλικών οξυγόνων του PAMAM δενδριμερούς, οδηγώντας στη δημιουργία σταθερών συμπλεγμάτων. Τα μόρια της φαρμακευτικής ουσίας φαίνεται να εισχωρούν βαθιά εντός της δενδριτικής δομής, της οποίας η διαμόρφωση έχει υποστεί αλλαγή ύστερα από την πρωτονίωση των πρωτοταγών αμινών. Οι φορτισμένες αμινικές ομάδες δεν φαίνεται να συμμετέχουν στο σχηματισμό δεσμών υδρογόνου. Στην κατάσταση βασικού ph όπου τα μόρια ibuprofen έχουν ιονιστεί, σχηματίζονται ευσταθή συμπλέγματα η ύπαρξη των οποίων όμως δεν οφείλεται ούτε σε αλληλεπιδράσεις δεσμών υδρογόνου ούτε σε υδροφοβικές αλληλεπιδράσεις. Βασισμένοι σε αυτή την πληροφορία και στο γεγονός ότι τα μόρια ibuprofen προτιμούν να διατάσσονται στη δενδριτική επιφάνεια, συμπεράναμε ότι η κύρια αιτία της παρατηρούμενης συμπεριφοράς είναι οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις
μεταξύ του φαρμάκου και των πρωτοταγών αμινικών ομάδων του δενδριμερούς. Το συμπέρασμα αυτό βρίσκεται σε συμφωνία με τον μηχανισμό που προτείνεται από σχετικά πειράματα. Ανάλογη τάση για σύζευξη παρουσιάζει και το μη-υπαρκτό σύστημα όπου το δενδριμερές και τα φαρμακευτικά μόρια είναι αφόρτιστα. Σε αυτή την περίπτωση όμως ο σχηματισμός συμπλέγματος οφείλεται σε δεσμούς υδρογόνου. Με άλλα λόγια ο ιονισμός του φαρμάκου κάνει τη διαφορά στο μηχανισμό της σύζευξης αυτού με το δενδριμερές. Οι δυναμικές ιδιότητες των μορίων ibuprofen σχετίζονται ισχυρά με τις ιδιαιτερότητες της χωρικής τους κατανομής ως προς το δενδριμερές. Σε χαμηλό pη τόσο η δυναμική του κάθε μορίου φαρμάκου ξεχωριστά όσο και η συλλογική κίνηση των φαρμάκων εμφανίζονται γρηγορότερες συγκρινόμενες με τα συστήματα σε υψηλότερα επίπεδα pη με χρονική κλίμακα κοντά στα 100ps και 300ps αντίστοιχα. Στην κατάσταση ουδέτερου pη, η δυναμική συμπεριφορά των σχηματισμένων συμπλεγμάτων δενδριμερούς/φαρμάκου περιγράφει σωματίδια που κινούνται πιο αργά και υπακούν σε μια βραδεία συλλογική κίνηση, συμβατή με τον χωρικό περιορισμό που αποκάλυψε η στατική ανάλυση. H χρονική κλίμακα της ξεχωριστής κίνησης του κάθε μορίου σε αποστάσεις εντός τις δενδριτικής δομής είναι της τάξης των 300 ps ενώ η μέση χρονική κλίμακα των συλλογικών αναδιατάξεων πλησιάζει την κλίμακα του ns. Σε βασικές συνθήκες pη, τόσο η ατομική όσο και η ομαδική κίνηση στο σύστημα που περιλαμβάνει ιονισμένα μόρια φαρμάκου εμφανίζεται πιο αργή σε σχέση με εκείνη του συστήματος μη-ιονισμένων μορίων ibuprofen δείχνοντας ότι φυσική σύνδεση δενδριμερούς φαρμάκου είναι πιο ισχυρή στο σύμπλεγμα που προκύπτει λόγω ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων. Το πιο αργό σύστημα (με ιονισμένο ibuprofen) παρουσιάζει την πιο αργή ατομική κίνηση από όλα τα εξεταζόμενα συστήματα (~500ps), ενώ η χρονική κλίμακα της ομαδικής κίνησης είναι συγκρίσιμη σε σχέση με την αντίστοιχη του μοντέλου ουδέτερου pη, παρά την απουσία γεωμετρικού περιορισμού παρόμοιου με αυτόν που βρέθηκε σε φυσιολογικό pη. Λόγω της διάταξης των φαρμακευτικών μορίων στη δενδριτική επιφάνεια στα συστήματα υψηλού pη, γεννιούνται ειδικοί μηχανισμοί που διευκολύνουν τις ανταλλαγές θέσεων μεταξύ κοντινών γειτόνων. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια εργασία που βρίσκεται ακόμα σε εξέλιξη. Εξετάστηκε η σύζευξη υπερδιακλαδισμένων αλειφατικών πολυεστέρων που φέρουν τερματικές ομάδες υδροξυλίου με την φαρμακευτική ουσία shikonin.
Κατασκευάστηκαν ατομιστικά μοντέλα των πολυεστέρων Boltorn H20 και Η30, παρουσία μορίων shikonin σε διάλυμα αιθανόλης. Ο αριθμός των φαρμακευτικών μορίων ήταν ίσος με εκείνο των ατόμων οξυγόνου σε κάθε περίπτωση. Δημιουργήθηκαν συστήματα που αντιστοιχούν σε δύο διαφορετικά κλάσματα βάρους του συστήματος πολυμερούς/shikonin, 26 και 14% αντίστοιχα. Τα πρώτα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο αριθμός των φαρμακευτικών μορίων που εισχωρούν εντός του πολυμερούς είναι ίδιος μεταξύ συστημάτων διαφορετικής ψευδογενεάς πολυμερούς και ίδιας συγκέντρωσης διαλύματος αλλά αισθητά μεγαλύτερος στα συστήματα μικρότερης συγκέντρωσης. Το μοντέλο πολυμερούς μικρότερου μεγέθους φαίνεται να συγκρατεί κοντύτερα στην επιφάνειά του φαρμακευτικά μόρια. Αυτό συμβαίνει πιθανότατα λόγω του σχηματισμού δεσμών υδρογόνου μεταξύ χαρακτηριστικών ομάδων του πολυμερούς και του φαρμάκου. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές είναι πολύ ισχυρότερες στα μοντέλα μεγαλύτερης συγκέντρωσης. Η εισχώρηση μορίων διαλύτη δεν μεταβάλλεται πρακτικά μεταξύ μοντέλων διαφορετικών γενεών πολυμερούς και/ή συγκέντρωσης διαλύματος.