幾種低溫保護(hù)劑溶液玻璃化特性的分子模擬及機(jī)理分析.pdf

1、玻璃化是保存大尺寸組織和器官的有效方法,但溶液的熱應(yīng)力和滲透應(yīng)力等引起的問(wèn)題限制了玻璃化保存方法的廣泛應(yīng)用。因此,低溫玻璃化保存方法的成功很大程度上取決于玻璃化溶液的性質(zhì),如臨界升降溫速率、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等熱及力學(xué)性質(zhì)。
　　人們常用差示掃描量熱法(DSC)、動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀(DMA)和熱機(jī)械分析儀(TMA)等儀器測(cè)量玻璃化溶液的性質(zhì),但要獲得一種理想的玻璃化溶液,需要大量的實(shí)驗(yàn)。分子模擬不僅可以從微觀上設(shè)計(jì)并控制各種條件,模擬玻璃

2、化溶液的性質(zhì),而且可以分析宏觀性質(zhì)的分子機(jī)理,為選擇合適的玻璃化溶液提供了一條捷徑。
　　應(yīng)用gromacs3.3和MaterialStudio軟件,本文對(duì)幾種低溫保護(hù)劑溶液的玻璃化性質(zhì)進(jìn)行了分子模擬和機(jī)理分析,主要工作如下:
　　1、玻璃體的力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系,徑向分布函數(shù)(radialdistributionfunction,RDF)反映了分子的聚集特性,是研究玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)。本文研究了降溫速率

3、和壓力對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和徑向分布函數(shù)的影響,結(jié)果表明:降溫速率對(duì)體系的RDF有影響,縮小溫差并采取中間溫度充分馳豫可減小這種影響;采用逐步冷卻、直接冷卻和兩步法冷卻時(shí),Me2SO溶液的RDF,RMSD(rootmeansquareddiviation,均方根偏差)及氫鍵數(shù)量構(gòu)成均表現(xiàn)不同的特征,但總氫鍵數(shù)目以及Me2SO-H2O的空間角位置沒(méi)有明顯變化,Me2SO-H2O的空間角位置關(guān)系有相似性和取向性和周期性的特征;對(duì)于30％、50%

4、、70%Me2SO溶液,在慢速降溫時(shí),RDF、RMSD及氫鍵數(shù)量構(gòu)成表現(xiàn)不同的特征,其Me2SO-H2O空間角度分布也具有相似性,取向性和周期性的特點(diǎn)。
　　2、氫鍵是影響很多物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、力學(xué)及其他性質(zhì)的關(guān)鍵因素。在溶液的冷卻過(guò)程中,無(wú)論結(jié)冰,還是玻璃化,都與分子內(nèi)、外的氫鍵網(wǎng)有密切關(guān)系。研究了降溫速率(1×107K/s,1×1012K/s)對(duì)70%Me2SO溶液玻璃化過(guò)程氫鍵的角度、距離、生命期和數(shù)量的影響,結(jié)果表明:玻

5、璃化過(guò)程中系統(tǒng)氫鍵、Me2SO-H2O氫鍵以及H2O-H2O氫鍵的鍵長(zhǎng)分布均呈現(xiàn)泊松分布,不同的冷卻速度對(duì)氫鍵鍵長(zhǎng)分布影響不顯著;玻璃化過(guò)程的系統(tǒng)氫鍵角度、Me2SO-H2O氫鍵角度以及H2O-H2O氫鍵角度的分布均呈現(xiàn)泊松分布,降溫速度對(duì)氫鍵角度分布曲線的影響顯著。
　　3、氫鍵生命期特性是氫鍵動(dòng)力學(xué)重要特征之一,對(duì)保存在溶液中的細(xì)胞和組織的熱及力的環(huán)境有較大的影響。研究了降溫速率(1×107K/s,1×1012K/s)對(duì)70%

6、Me2SO溶液的玻璃化過(guò)程的氫鍵生命期分布的影響,結(jié)果表明:兩種冷速下的系統(tǒng)氫鍵、Me2SO-H2O氫鍵、H2O-H2O氫鍵都表現(xiàn)出振蕩變劇烈的特性;在時(shí)間大于大約3ps時(shí),Me2SO-H2O氫鍵生命期分布在數(shù)值上要大于H2O-H2O的;氫鍵生命期以類似自變量系數(shù)為負(fù)的冪函數(shù)或者指數(shù)函數(shù)形式分布;不管是系統(tǒng)氫鍵、Me2SO-H2O氫鍵、還是H2O-H2O氫鍵的生命期分布,快速降溫系統(tǒng)比慢速降溫系統(tǒng)的生命期振幅要小得多,振幅變化也小很多。