Синтез наноразмерного фосфата цинка, стабилизированного биологически активными веществами

Аннотация

Приведены результаты исследования процесса взаимодействия фосфата цинка с биологически активными веществами с использованием метода квантово-химического моделирования. В рамках метода получены модели молекул биологически активных веществ (незаменимых аминокислот), а также молекулярных систем Zn₃(PO₄)₂--незаменимая аминокислота, в которых взаимодействие фосфата цинка с аминокислотой происходило через атом кислорода, присоединенный к атому фосфора в фосфате цинка, и ионизированную аминогруппу аминокислоты. В результате квантово-химического моделирования установлено, что молекулярная система Zn₃(PO₄)₂--незаменимая аминокислота является энергетически выгодной и химически стабильной. Оптимальной конфигурацией, обладающей наибольшей разностью полной энергии (73,646 ккал/моль) и химической жесткостью (0,144 эВ), является молекулярная система Zn₃(PO₄)₂--лизин, в которой взаимодействие происходит через ионизированную ε-аминогруппу лизина. Результаты анализа микроструктуры наночастиц фосфата цинка, стабилизированных L-лизином, показали, что поверхность образцов состоит из крупных агрегатов диаметром 617 мкм, которые представляют собой мелкие частицы сферической формы размерами 100...150 нм. Результаты анализа элементного состава позволили установить наличие в структуре таких элементов, как цинк и фосфор. Изучен фазовый состав образцов. Установлено, что образец наночастиц фосфата цинка, стабилизированных L-лизином, имеет орторомбическую сингонию с пространственной группой P nma. Образцы исследовали методом ИК-спектроскопии. По результатам спектроскопии определено, что взаимодействие амино-кислоты происходит при связывании фосфата через аминогруппы в молекуле аминокислоты

Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (проект СП-476.2022.4), с использованием оборудования Центра коллективного пользования СКФУ при финансовой поддержке Минобрнауки России (уникальный идентификатор проекта РФ-2296.61321Х0029), в рамках программы поддержки развития научных коллективов СтГАУ, реализуемой при финансовой поддержке Программы стратегического академического лидерства "Приоритет--2030"

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Блинова А.А., Рехман З.А., Кастарнова Е.С. и др. Синтез наноразмерного фосфата цинка, стабилизированного биологически активными веществами. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2025, № 1 (118), с. 119--136. EDN: FURTAC

Литература

[1] Omichinski J.G., Clore G.M., Schaad O., et al. NMR structure of a specific DNA complex of Zn-containing DNA binding domain of GATA-1. Science, 1993, vol. 261, iss. 5120, pp. 438--446. DOI: https://doi.org/10.1126/science.8332909

[2] Frassinetti S., Bronzetti G.L., Caltavuturo L., et al. The role of zinc in life: a review. J. Environ. Pathol. Toxicol. Oncol., 2006, vol. 25, iss. 3, pp. 597--610. DOI: https://doi.org/10.1615/jenvironpatholtoxicoloncol.v25.i3.40

[3] Arquilla E.R., Packer S., Tarmas W., et al. The effect of zinc on insulin metabolism. Endocrinology, 1978, vol. 103, iss. 4, pp. 1440--1449. DOI: https://doi.org/10.1210/endo-103-4-1440

[4] Yamaguchi M. Role of zinc in bone formation and bone resorption. J. Trace Elem. Exp. Med., 1998, vol. 11, no. 2-3, pp. 119--135. DOI: https://doi.org/10.1002/(SICI)1520-670X(1998)11:2/3<119::AID-JTRA5>3.0.CO;2-3

[5] Rink L. Zinc and the immune system. Proc. Nutr. Soc., 2000, vol. 59, iss. 4, pp. 541--552. DOI: https://doi.org/10.1017/s0029665100000781

[6] Fraker P.J., Gershwin M.E., Good R.A., et al. Interrelationships between zinc and immune function. Fed. Proc., 1986, vol. 45, no. 5, pp. 1474--1479.

[7] Deur C.J., Stone M.J., Frenkel E.P. Trace metals in hematopoiesis. Am. J. Hematol., 1981, vol. 11, iss. 3, pp. 309--331. DOI: https://doi.org/10.1002/ajh.2830110313

[8] O’Connor J.P., Kanjilal D., Teitelbaum M., et al. Zinc as a therapeutic agent in bone regeneration. Materials, 2020, vol. 13, iss. 10, art. 2211. DOI: https://doi.org/10.3390/ma13102211

[9] Liu Y., Du T., Qiao A., et al. Zinc-based biodegradable materials for orthopaedic internal fixation. J. Funct. Biomater., 2022, vol. 13, iss. 4, art. 164. DOI: https://doi.org/10.3390/jfb13040164

[10] Zhuo X., Wu Y., Ju J., et al. Recent progress of novel biodegradable zinc alloys: From the perspective of strengthening and toughening. J. Mater. Res. Technol., 2022, vol. 17, pp. 244--269. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.01.004

[11] Yang H., Jia B., Zhang Z., et al. Alloying design of biodegradable zinc as promising bone implants for load-bearing applications. Nat. Commun., 2020, vol. 11, art. 401. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-14153-7

[12] Sadeghi-Aghbash M., Rahimnejad M. Zinc phosphate nanoparticles: a review on physical, chemical, and biological synthesis and their applications. Curr. Pharm. Biotechnol., 2022, vol. 23, no. 11, pp. 1228--1244. DOI: http://dx.doi.org/10.2174/1389201022666211015115753

[13] Liu J., Zhang L., Cao D., et al. Static, rheological and mechanical properties of polymer nanocomposites studied by computer modeling and simulation. Phys. Chem. Chem. Phys., 2009, vol. 11, no. 48, pp. 11365--11384. DOI: https://doi.org/10.1039/B913511A

[14] Liu K., Wang X., Li-Blatter X., et al. Systematic and quantitative structure--property relationships of polymeric medical nanomaterials: from systematic synthesis and characterization to computer modeling and nano--bio interaction and toxicity. ACS Appl. Bio Mater., 2020, vol. 3, iss. 10, pp. 6919--6931. DOI: https://doi.org/10.1021/acsabm.0c00808

[15] Zhao J., Wu L., Zhan C., et al. Overview of polymer nanocomposites: computer simulation understanding of physical properties. Polymer, 2017, vol. 133, pp. 272--287. DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymer.2017.10.035

[16] Bernardo L.F., Amaro A.P., Pinto D.G., et al. Modeling and simulation techniques for polymer nanoparticle composites --- a review. Comput. Mater. Sci., 2016, vol. 118, pp. 32--46. DOI: https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2016.02.025

[17] Blinov A.V., Gvozdenko A.A., Kravtsov A.A., et al. Synthesis of nanosized manganese methahydroxide stabilized by cystine. Mater. Chem. Phys., 2021, vol. 265, art. 124510. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.124510

[18] Zeng Q.H., Yu A.B., Lu G.Q. Multiscale modeling and simulation of polymer nanocomposites. Prog. Polym. Sci., 2008, vol. 33, iss. 2, pp. 191--269. DOI: https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2007.09.002

[19] Mishununa V.V., Chapanov M.M., Gakaeva K.I., et al. Computed quantum chemical modeling of the effect of nanosilver on coronavirus COVID-19. Pharmacophore, 2021, vol. 12, no. 2, pp. 14--21. DOI: https://doi.org/10.51847/LcTdy7pSqE

[20] Blinov A.V., Kachanov M.D., Gvozdenko A.A., et al. Synthesis and characterization of zinc oxide nanoparticles stabilized with biopolymers for application in wound-healing mixed gels. Gels, 2023, vol. 9, iss. 1, art. 57. DOI: https://doi.org/10.3390/gels9010057

[21] Blinov A., Gvozdenko A., Golik A., et al. Effect of Mn _xO_y nanoparticles stabilized with methionine on germination of barley seeds (Hordeum vulgare L.). Nanomaterials, 2023, vol. 13, iss. 9, art. 1577. DOI: https://doi.org/10.3390/nano13091577