Conformational structure of a complex of two oppositely charged polyelectrolytes on the surface of a charged spherical metallic nanoparticle

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

This study employs molecular dynamics to investigate the conformational changes of a complex comprising two oppositely charged polyelectrolytes and a polyampholyte block copolymer adsorbed on the surface of a spherical metallic nanoparticle, as a function of its electrical charge. A mathematical model is presented for the rearrangement of two macromolecular shells of different signs spread on a charged spherical nanoparticle, together with an estimate of the stiffness of the polyelectrolyte chain as a function of its charge. Radial distributions of the average density of atoms of the polyelectrolyte complex and block copolymer situated on the surface of a charged spherical metallic nanoparticle are calculated. The polyelectrolytes with differing charges in the complex, along with the block copolymer, formed a tight envelope around the neutral spherical nanoparticle. As the absolute value of the nanoparticle charge increased, the macromolecular edge underwent swelling, resulting in the formation of two layers comprising differently charged polyelectrolytes or block copolymer fragments.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. Y. Kruchinin

Orenburg State University

Author for correspondence.
Email: kruchinin_56@mail.ru

Center of Laser and Informational Biophysics

Russian Federation, Orenburg

M. G. Kucherenko

Orenburg State University

Email: kruchinin_56@mail.ru

Center of Laser and Informational Biophysics

Russian Federation, Orenburg

References

  1. Theodosiou M., Boukos N., Sakellis E. et al. // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2019. V. 183. P. 110420.
  2. Chen G., Song F., Xiong X., Peng X. // Ind. Eng. Chem. Res. 2013. V. 52. P. 11228.
  3. Mieszawska A.J., Mulder W.J.M., Fayad Z.A., Cormode D.P. // Mol. Pharmaceutics. 2013. V. 10. P. 831.
  4. Dallari C., Lenci E., Trabocchi A. et al. // ACS Sens. 2023. V. 8. P. 3693.
  5. Huang H., Liu R., Yang J. et al. // Pharmaceutics. 2023. V. 15. P. 1868.
  6. Sproncken C.C.M., Gumí-Audenis B., Foroutanparsa S. et al. // Macromolecules. 2023. V. 56. P. 226.
  7. Bakhtiari S.E., Joubert v, Pasparakis G. et al. // European Polymer Journal. 2023. V. 189. P. 111977.
  8. Lueckheide M., Vieregg J.R., Bologna A.J. et al. // Nano Lett. 2018. V. 18. P. 7111.
  9. Huang B., Wen J., Yu H. et al. // Journal of Molecular Structure. 2022. V. 1256. P. 132510.
  10. Fuller M., Kӧper I. // Polymers. 2018. V. 10. P. 1336.
  11. Kucherenko M.G., Izmodenova S.V., Kruchinin N.Yu., Chmereva T.M. // High Energy Chem. 2009. V. 43. P. 592.
  12. Kruchinin N.Yu., Kucherenko M.G. // Colloid Journal. 2019. V. 81. P. 110.
  13. Kruchinin N.Yu., Kucherenko M.G. // Surfaces and Interfaces. 2021. V. 27. P. 101517.
  14. Kruchinin N.Yu., Kucherenko M.G. // High Energy Chemistry. 2022. V. 56. №. 6. P. 499.
  15. Kruchinin N.Yu., Kucherenko M.G. // Polymer Science Series A. 2023. V. 65. P. 224.
  16. Kruchinin N.Yu. // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2023. V. 14. P. 719.
  17. Kruchinin N.Yu., Kucherenko M.G., Neyasov P.P. // High Energy Chemistry. 2023. V. 57. P. 459.
  18. Kruchinin N.Yu., Kucherenko M.G. // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2022. V. 96. № 3. P. 622.
  19. Kucherenko M. G., Kruchinin N. Yu., Neyasov P.P. // Eurasian Physical Technical Journal. 2022. V. 19. № 2 (40). P. 19–29.
  20. Kruchinin N.Yu., Kucherenko M. G. // Polymer Science Series A. 2022. V. 64. № 3. P. 240.
  21. Phillips J.C., Braun R., Wang W. et al. // J. Comput. Chem. 2005. V. 26. P. 1781.
  22. Mhashal A.R, Roy S. // PLoS One. 2014. V. 9. Is. 12. P. e114152
  23. MacKerell A.D. Jr., Bashford D., Bellott M. et al. // J. Phys. Chem. B. 1998. V. 102. P. 3586.
  24. Huang J., Rauscher S., Nawrocki G. et al. // Nature Methods. 2016. V. 14. P.71.
  25. Heinz H., Vaia R.A., Farmer B.L., Naik R.R. // J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112. P. 17281.
  26. Miyata T., Kawagoe Y., Okabe T. et al. // Polymer Journal. 2022. V. 54. P. 1297.
  27. Farhadian N., Kazemi M.S., Baigi F.M., Khalaj M. // Journal of Molecular Graphics and Modelling. 2022. V. 116. P. 108271.
  28. Rabani R., Saidi M.H., Rajabpour A. et al. // Langmuir. 2023. V. 39. P. 15222.
  29. Zhang C., Jia H., Zhang Y., Du S. // J. Phys. Chem. B. 2023. V. 127. P 9543.
  30. Gutiérrez-Varela O., Lombard J., Biben T. et al. // Langmuir. 2023. V. 39.P. 18263.
  31. Wang M., Ni S., Yin Y. et al. // Langmuir. 2024. V. 40. P. 1295.
  32. Darden T., York D., Pedersen L. // J. Chem. Phys. 1993. V. 98. P. 10089.
  33. Jorgensen W.L., Chandrasekhar J., Madura J.D. et al. // J. Chem. Phys. 1983. V. 79. P. 926.
  34. Shankla M., Aksimentiev A. // Nature Communications. 2014. V. 5. P. 5171.
  35. Chen P., Zhang Z., Gu N., Ji M. // Molecular Simulation. 2018. V. 44. P. 85.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Polyelectrolytes P3 and N3 (a), as well as block copolymer NP3 (b) after MD modeling on a neutral spherical gold nanoparticle (the positively charged macrochain or fragment of the block copolymer is shown in red, and the negatively charged macrochain or fragment of the block copolymer is shown in blue). Radial dependences of the average density of polypeptide (b) atoms on the surface of a neutral nanoparticle: the total complex of polypeptides P3 and N3 (1), separate for c polypeptides N3 (2) and P3 (3), NP3 block copolymer (4), as well as negatively (5) and positively (6) charged fragments of the polypeptide NP3.

Download (605KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Polyelectrolytes P3 and N3 (a, b), block copolymer NP3 (c), and polyelectrolytes P2 and N2 (d) after MD modeling on charged surfaces with surface densities σ+0.1 (a), σ+0.2 (b, d), and σ–0.2 (c) a spherical gold nanoparticle (red shows a positively charged macrochain or fragment of a block copolymer, and blue shows a negatively charged macrochain or fragment of a block copolymer).

Download (709KB)
Indexing metadata
4. 3. Radial dependences of the average atomic density of the complex of polypeptides P3 and N3 (a), as well as the NP1 block copolymer (b) on the surface of a charged spherical metal nanoparticle with different surface charge densities: 0 (1), σ+0.05 (2), σ+0.1 (3), σ–0.1 (4), σ+0.2 (5) and σ–0.2 (6).

Download (252KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Radial dependences of the average atomic density of the N2 and P2 polyelectrolyte complex on the surface of a spherical metal nanoparticle charged with a surface density of σ–0.2 (1 is the total for all atoms of the polyelectrolyte complex, 2 and 3 are for the atoms of N2 and P2 polyelectrolytes, 4 and 5 are for the atoms of Arg and Asp units).

Download (138KB)
Indexing metadata
6. 5. Radial dependences of the average density of polyelectrolyte atoms N3(1) and P3(2) in their complex, as well as negatively (3) and positively (4) charged fragments of the NP3 block copolymer on the surface of a spherical metal nanoparticle charged with a surface density of σ–0.2.

Download (148KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».