Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Моделирование механизмов поляризации фосфатов кальция

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Моделирование механизмов поляризации фосфатов кальция"

На праваэ&фукописи

ПАРАМОНОВА Екатерина Владимировна

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПОЛЯРИЗАЦИИ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ

Специальность 03.00.02 - Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ООЗ171686

Москва, 2008

003171686

Работа выполнена в Институте Академии Наук

математических проблем биологии Российской

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник Быстров Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Караваев Владимир Александрович

доктор химических наук, профессор

Комиссаров Геннадий Германович Ведущая организация: Институт биофизики клетки РАН

Защита диссертации состоится 2008 г в часов

на заседании Диссертационного Совета Д 501 002 11 при Московском государственном университете им M В Ломоносова

по адресу Москва, Ленинские горы, МГУ им M В. Ломоносова, физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им M В Ломоносова

Автореферат разослан 2008 г

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д 501 002 11 Доктор физико-математических наук

Общая характеристика работы

Объектом исследования был выбран фосфат кальция - гидроксилапатит, на протяжении последних трех десятилетий выдвигаемый на первый план в качестве заменителя кости Характерной особенностью его структуры является существование цепочек диполей ОН в колоннообразных каналах, образованных атомами кальция и группами РО\~ Перенос протонов в такой структуре обеспечивает поляризацию гидроксилапатита, что, в свою очередь, усиливает эффективность нарастания костной ткани на его поверхности В настоящее время активно развиваются исследования по переносу протонов в различных биологических, физических и композитных системах Транспорт протонов по системе водородных связей играет важнейшую роль как в биологических системах, так и в различных твердотельных структурах При этом детально механизм переноса протона по каналам апатитной структуры еще до конца не ясен Выяснение условий, необходимых для протонного транспорта в таком канале, позволит не только понять механизмы переноса заряда в структуре минеральной составляющей костной ткани позвоночных, но и даст новый толчок в развитии нанотехнологий, биомедицины и имплантантологии

Актуальность темы

Широкие перспективы в области разработки биоматериалов связаны с внедрением биокерамики Особый интерес представляют исследования, относящиеся к "регенерационному" подходу, при котором упор делается не на замещение костного дефекта постоянным имплантатом с подходящими механическими характеристиками, а на быструю биодеградацию материала имплантата и последующую замену его костной тканью

Гидроксилапатит (Са5(Р04)з(0Н)), соответствует по структуре и составу минеральному компоненту кости и широко используется в хирургии и в стоматологии для покрытия внутрикостной части имплантатов, заполнения дефектов кости К тому же, он является идеальным типом имплантанта - со

временем такой протез рассасывается при этом часть апатита идет на формирование новой собственной костной ткани

Способность гидроксилапатита стимулировать адгезию клеток костной ткани на поверхность улучшается при поляризации образца Поляризация поверхности апатита связана с переносом протонов по цепочкам гидроксил -ионов в каналах, являющихся наиболее важной особенностью его структуры Таким образом, любая информация, которую можно получить об условиях в каналах, будет полезной для понимания переноса заряда вдоль канала Такую информацию можно получить с помощью методов компьютерной химии Так, на поверхность потенциальной энергии протона в канапе влияют фосфатные группы (более того, один из возможных механизмов переноса протона заключается в его прохождении через эту группу), а также примеси, например, фтора

В данной работе исследовались механизмы поляризации фосфатов кальция -гидроксилапатита и апатита с примесью фтора, определялись величины энергетических барьеров и возможные пути переноса протона по каналам апатитной структуры

Цель работы

Выяснение физико-химических механизмов поляризации фосфатов кальция (гидроксилапатита), в том числе, посредством переноса протонов в его структуре, исследование влияния на процесс поляризации различных факторов (таких, как примеси в структуре и электрическое поле) является основной целью данной работы

Задачи работы.

• анализ комплексов программ для решения поставленной задачи,

• анализ квантово-химических методов, которые обеспечивали бы наиболее корректное решение поставленной задачи,

• анализ и построение оригинальной модели структуры фосфата кальция -гидроксилапатита,

• установление на основе проведенных расчетов наиболее вероятных механизмов поляризации гидроксилапатита,

• анализ на основе проведенных расчетов влияния физиологически наиболее значимой примеси в структуре апатита, а именно замены кислорода во внутриканальной цепочке на фтор на энергетические барьеры в канале апатитной структуры,

• анализ влияния электрического поля на профили потенциальной энергии в канале

Методы исследования

В работе применялись программные комплексы HyperChem, Gaussian 98 Для визуализации использовались Fació, Gabedit, Mo I View

Научная новизна работы

Впервые квантово-химическими методами рассчитаны условия в оригинальной модели канала чистого гидроксилапатита, и в случае замещения гидроксильной группы ионом фтора Получены величины энергетических барьеров в разных кристаллографических фазах апатита для

• переноса протона вдоль цепочки в канале гидроксилапатита,

• переноса протона с участием атома кислорода из фосфатной группы,

• переноса протона вдоль внутриканальной цепочки и с участием кислорода из фосфатной группы для случая примеси фтора в цепочке ОН

Впервые проведена серия расчетов, учитывающих влияние электрического поля на перенос протона в такой системе Полученные величины энергетических барьеров в случае наложения внешнего электрического поля хорошо согласуются с наблюдаемым в эксперименте длительным сохранением поляризационного заряда

В ходе выполнения работ впервые установлен важный размерный эффект при уменьшении размеров кластера гидроксилапатита увеличивается его дипольный момент и поляризация, кроме того, дипольный момент также увеличивается при захвате оборванными связями протонов Однако, здесь обратный эффект - большой кластер при насыщении оборванных связей Н* поляризуется сильнее, что очень важно для практического применения Полученные значения работы выхода хорошо согласуются с данными, полученными в результате экспериментов партнеров по проекту Европейского содружества ЫМРЗ-СТ-2003- 504937 (РЕЯСЕКАМСБ), в рамках которого проводилось данное исследование В результате нашего численного эксперимента показано также, что возникновение заряда на поверхности малых (нано) кластеров гидроксилапатита обусловлено в первую очередь разупорядочением поверхности

Научно-практическое значение работы

Результаты работы были использованы при выполнении работ по проекту Европейского содружества КМ?3-СТ-2003- 504937 (РЕКСЕКАМЮБ), в рамках которого проводилось данное исследование Представленные в диссертации данные необходимы для анализа экспериментальных данных при разработке биоимплантантов на основе фосфатов кальция и способствуют более глубокому пониманию механизмов поляризации в структуре апатита Также полученные результаты нашли применение при разработке технологии изготовления материалов для имплантантов с требуемыми физическими и химическими свойствами

Личный вклад автора

Автором выполнены все расчеты и получены основные результаты диссертации Автор активно участвовал в обсуждении полученных результатов и их интерпретации на всех этапах исследования

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации были представлены на следующих конференциях'

8-ая международная Путинская конференция молодых ученых «Биология -наука 21-го века», 17-21 мая 2004 г., Пущино; XV Всероссийская конференция «Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов для решения задач математической физики с приложением к многопроцессорным системам», посвященная памяти К.И.Бабенко. Сентябрь 2004, Дюрсо; The 3rd Symposium "Micro- and Nanostructures of Biological Systems", June, 2004, Halle (Saale), Germany; 49lh Annual Meeting of Biophysical Society,

February 12-16, 2005; "MATERIALS 2005". XII Portuguese Materials Society Meeting March 20th -23rd; III International Materials Symposium. March 20th -23rd Aveiro, Portugal, 2005; 19th European Conference on Biomaterials, Sorento, Italy, 11-15 September 2005; 10-я Путинская школа-конференция молодых учёных, 17-21 апреля 2006г., Пущино; Int. Congress of Biomechanics, Munchen, Germany, July 2006; Int. Congress of Biomed. Physics Seul, Koreya, August 2006; 1th Int. Conference on Mathematical Biology and Bioinformatics, Pushchino, Russia, October 2006; 3rd Baltic conference of silicate materials, 24-25 May, 2007, Riga, Latvia; ISIF 2007 May 8-11, 2007, Bordeaux, France; First SMARTER Crystallography, 6-7 September 2007, University of Aveiro, Portugal, September 2007; September 2007, Blede, Sloveniya; 11-я международная школа Пущинская конференция молодых ученых «Биология - наука 21-го века», 29 октября -2 ноября 2007, Пущино.

По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ.

Диссертация состоит из 5 глав, изложена на 103 листах, содержит 7 таблиц и 21 иллюстрацию.

2. Содержание диссертации Введение.

Обоснована актуальность темы,

сформулирована цель и основные задачи работы, охарактеризована важность полученных результатов.

Первая глава.

Первая глава представляет собой обзор литературных данных. В ней рассматриваются и анализируются структурные особенности фосфата кальция - апатита.

Проводится подробный анализ имеющихся

Рис.1. Перенос протона пи цепочке ОН. Первый шаг -поворот протона вокруг иона О2', затем протон

перемещается к соседней протонной вакансии.

литературных данных по структуре апатита, его возможным фазам -моноклинной и гексагональной, условиям перехода между ними и влиянию примесей на свойства гидроксилапатита Доказывается необходимость получения информации о механизмах поляризации гидроксилапатита, в первую очередь, об условиях в канале апатитной структуры, влияющих на перенос протона Приводятся известные экспериментальные данные по накоплению большого (до 1 2 мКсм"2) поверхностного заряда, сохраняющегося в течение необходимого для медицинского использования времени - больше полутора месяцев Приводится предполагаемый механизм переноса протона по цепочке ОН" в канале

Перенос протонов на большие расстояния вдоль ОН" цепочек в апатитной структуре требует 1) протонного обмена между двумя соседними ОН" ОН" и/или Б' ионами, и 2) переориентации отдельных ОН (РН) диполей (Рисунок 1) Вероятно, что при переходе от одного ОН к другому протоны «проходят» через РО\~ ионы, образующие канал

Обосновывается необходимость компьютерных расчетов барьеров на возможных путях переноса протона

Вторая глава

Методы компьютерного моделирования

Во второй главе дается описание современных методов, используемых в

компьютерной химии, включая методы молекулярной механики и квантово-

химические методы расчета равновесной геометрии различных молекул

Проводится обзор основных методик, применяющихся для решения научных

задач по изучению строения вещества, исследованию биологических систем,

свойства которых связаны с их атомным и электронным строением, и

динамических свойств атомов и ионов в различных кристаллических и

молекулярных структурах

Рассматриваются общие подходы к изучению электронной структуры

молекул на основе приближенных методов решения уравнения Шредингера

Проводится сравнение методов, обосновывается выбор методов исследования

8

Третья глава

Модели структуры апатита Размерный эффект

Третья глава посвящена описанию моделей гидроксилапатита нано размеров, построенных на основе экспериментальных данных Представлены методы их получения, использованные при этом программные средства Обоснован выбор методов исследования Оптимизация геометрии моделей проводилась методом молекулярной механики ММ+ с помощью программы НурегСЬет Полученные в третьей главе структуры использовались в качестве стартовых геометрий в расчетах по определению возможности переноса протона по каналам апатитной структуры (Глава IV)

В процессе построения адекватных моделей структуры установлен размерный эффект, вызванный сильным разупорядочением поверхности частиц меньших размеров Проведено сравнение полученных дипольных моментов и поляризации для «большого» (5x5x3 эл яч) и «малого» (содержащего всего два канала) кластеров Установлено, что с уменьшением размера кластера растет его дипольный момент - этот размерный эффект подтвержден экспериментально группой - партнером по выполнению проекта Европейского содружества 1чГМРЗ-СТ-20ОЗ- 504937 (РЕИСЕЯАМЮБ) Показано, что для кластеров гидроксилапатита малого размера поляризация вызвана большим разупорядочением поверхности

В третьей главе также проводится качественное исследование взаимодействия апатита и титановой подложки - распространенного на сегодняшний день типа имплантанта Показано изменение направления дипольного момента такой системы по сравнению с направлением дипольного момента кластера гидроксилапатита Сделано предположение о связи данного эффекта с необходимостью операций по замене таких имплантатов -приблизительно 20% от проводимых ежегодно Сделан вывод о необходимости применения других подходов к проблеме прочности имплантанта - например, биомиметического подхода с использованием полимера поливинилденфторида

9

(ПВДФ) в роли коллагена костной ткани в композите ПВДФ - гидроксилапатит (качественное исследование композита приводится в пятой главе)

Четвертая глава

Определение возможности переноса протона в канале гидроксшапатита

Четвертая глава посвящена определению энергетических барьеров для переноса протона по каналу апатитной структуры, в рамках решения общей задачи о механизмах поляризации апатита Определяется возможность протонного транспорта для гидроксилапатита (ОН - апатит) и в случае наиболее физиологически значимой примеси - фтора (F,OH - апатит)

Приводится описание используемых в квантово-химических расчетах моделей структуры апатита Так, для достижения компромисса между желаемой точностью компьютерного эксперимента и временем вычислений, а также с учетом имеющихся компьютерных ресурсов, структуры апатита упрощены до участков, непосредственно участвующих в процессе переноса протона Модельные структуры представлены на Рисунке 2

Исследования проводились для обоих возможных путей переноса протона по каналу вдоль кислородной (либо в случае примеси фтора - О - F) цепочки в канале и с участием кислорода из образующих канал фосфатных групп Системы, для которых проводились расчеты, приведены в Таблице 1

Для указанных систем с помощью квантово-химических вычислений была рассчитана поверхность потенциальной энергии Использовался ab initio метод HF в базисе 6-31G(d), реализованный в квантово-химическом программном комплексе GAUSSIAN 98 При расчете поверхности потенциальной энергии протон перемещался каждый раз на расстояние 0 05 А вдоль выбранного направления Затем для областей экстремумов профиль потенциальной кривой уточнялся с шагом 0 01 А

Таблица 1. Системы, для которых выполнялись расчеты поверхности потенциальной энергии.

г(О--О), А

Направление 1 Направление 2

ОН моноклинная 3.411 3.07

гексагональная упорядоченная 3.114 3.3

гексагональная разупорядоченная 2.72 3.137

Р,ОН моноклинная 2.77 2.997

гексагональная 3.08 3.18

Направление 1

Рис. 2. Система для расчёта потенциальных кривых вдоль канала (направление 1) и на ближайший кислород из фосфатной группы (направление 2).

а) упорядоченная модель гексагональной фазы, моноклинная фаза;

б) разупорядоченная модель гексагональной фазы.

На Рисунке 4 представлены полученные профили потенциальной энергии для направлений переноса вдоль внутриканальной цепочки и на кслород фосфатной группы в моноклинной, гексагональной упорядоченной и разупорядоченной фазах.

а)

ф ш

■с

га X

>. с» 1—

Ф с ш

-2783,03-2783,10-2783,12-2783,14 -2783,16 -2783,18 -2783 20 -2783,22 -2783,24 -2783,26 -2783,28 -2783 30

-2783,32

■Р2/Ь г(0—0)=3 411 А •Р 6/т г(0-0)=3 114 А ■ Рб/т г(0-0)=2 72 А

—I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-]-1-|-1-1-.-1-.-)

0,6 0,8 1,0 1,2 14 16 1,8 2,0 2.2 2,4 2,6

г(0-Н О), А

б)

• Р2/Ь г(0-0)= 3 07 А

• Рб/т г(0—0)= 3 3 А Упорядоченная

га

I ^

О) си с ш

-2782,95-, , -----Р 6/т г(0~0)= 3 14 А разупорядоченная

-2783,00-2783,05-2783,10-2783,15-2783,20-2783,25-2783,30 -2783,35

0,9

н

г(0-Н О), А О Лот (Р04)

Рис

4 Потенциальные кривые для направления 1 а) и направления 2 б)

ОН-О Моноклинная (Р2,/Ь), г = 3 411 А, г = 3 07 А Гексагонапьная(Рб/т)упорядоченная, г = ЗП4А,г = ЗЗА и разупорядоченная, г = 2 72 Л, г = 3 14 А

Рис. 5. Вид профиля потенциальной энергии в направлениях переноса вдоль кислородной цепочки-

первьш столбец, через кислород фосфатной группы - второй столбец для систем: а)0Н-0 ; б) ОН—Р.

Моноклинная(Р2¡/Ь) и гексагоналъная(Р6з/т) фазы.

Таблица 2. Полученные величины энергетических барьеров для переноса протона по каналу апатитной структуры. Направление I - вдоль оси с кристалла (вдоль кислородной цепочки в канале), направление 2 - через кислород из образующих канал фосфатных групп.

Направление 3 Направление 2

ДЕьеУ ЛЕ2> еУ ЛЕ,2, еУ ДЕьеУ АЕ2, еУ ЛЕ12,еУ

ОН моноклинная 3.38 2.65 0.73 4.09 0.81 3.28

гексагональная упорядоченная 2.86 1.76 1.1 5.21 1.09 4.12

гексагональная разупорядоченная 0.68 0.84 0.15 2.89 1.0 1.89

Р,ОН моноклинная 3.66 0.5 3.16 3.29 1.14 2.15

гексагональная 2.96 0.05 2.92 3.72 0.81 2.92

На Рисунке 5 представлены профили потенциальной энергии для обоих возможных путей переноса протона по каналу апатитной структуры В верхнем ряду (а) приведены потенциальные профили для ОН - апатита, в нижнем - для Б,ОН - апатита Первый столбец - перенос вдоль внутриканальной цепочки, второй - с участием кислорода из фосфатной группы, формирующей канал

Полученные величины энергетических барьеров приведены в Таблице 2, обозначения, принятые в таблицах результатов приведены на Рисунке б

Так как для улучшения медицинских свойств имплантанта из гидроксилапатита необходима его поляризация, то, следовательно, внутри образца апатита возникает электрическое поле, которое в свою очередь влияет на профили потенциальной энергии в каналах апатитной структуры Для выяснения влияния величины электрического поля на профили потенциальной энергии и величины энергетических барьеров была проведена серия численных экспериментов для гидроксилапатита, поле было направлено вдоль кислородной цепочки в канале Приведены результаты численных экспериментов по влиянию электрического поля на профили потенциальной энергии в канале. Установлено, что электрическое поле, необходимое для переключения минимумов асимметричного двухъямного потенциала имеет порядок 109 В/м для моноклинной фазы гидроксилапатита, что сопоставимо с полями внутри биологических мембран В Таблице 3 приведены величины барьеров для гексагональной и моноклинной фаз без влияния электрического поля и при учете поля напряженностью 5,14* 108 и 2,57* 109 В/м

Рис 6 Обозначения, принятые в таблицах результатов

Таблица 3 Ветчины энергетических барьеров при учете влияния электрического поля

Напряженность поля, В/м ДЕЬ eV ДЕЗ, eV ДЕ12, eV

Моноклинная 0 3 38 2 65 0 73

5 14*IО8 3 24 2 72 0 52

2 57* Ю9 2 68 2 93 -0 25

Гексагональная упорядоченная 0 2 86 1 76 1,1

5 14*1О8 2 81 1 83 0 98

2 57*109 2 43 1 94 0 49

Приводятся краткие выводы о предпочтительном пути переноса протона, влиянии примеси фтора, электрического поля на величины энергетических барьеров

Пятая глава

В пятой главе описана работа над композитом поливинилиденфторид -гидроксилапатит (ПВДФ-ГА), проводящаяся в рамках гранта ГЫТАБ-Об-1000008-8091 на основе моделей структуры апатита, разработанных в третьей главе

Выводы

В процессе решения поставленных задач

• были исследованы экспериментальные данные по поляризации фосфатов кальция и найдены свидетельства о ключевой роли транспорта протонов по каналам кристаллической структуры в процессах поляризации и деполяризации апатитов,

• построенные на основе экспериментальных данных 3-х-мерные модели наноструктур гидроксилапатита (ГА) различной симметрии

15

оптимизированы с использованием адаптированных программных средств HyperChem На основе полученных моделей в ОПИТ ИМПБ РАН создана анимационная модель ГА,

• установлен размерный эффект — с ростом размера наночастиц ГАП изменяется работа выхода, что влияет на адгезионные свойства Показано, что этот эффект обусловлен большим поверхностным разупорядочением наночастиц ГАП меньшего размера,

• проведена серия компьютерных экспериментов по определению энергетических барьеров на пути переноса протона, в том числе для апатита с наиболее физиологически значимой примесью в канале -фтором Также оценена величина барьера для прохождения протона через кальциевый треугольник в канале Расчеты проводились для обоих возможных путей переноса протона вдоль канала и через кислороды фосфатных групп, образующих канал Расчеты выполнены ab initio методами с помощью программы Gaussian 98, на кластере Пущинского научного центра РАН,

• полученные величины энергетических барьеров позволяют сделать вывод о предпочтительном пути переноса протона для гидроксилапатита в моноклинной, гексагональной упорядоченной и разупорядоченной фазах, а также для гидроксилапатита с примесью фтора Показано, что транспорт протона в канале апатитной структуры в нормальных условиях (комнатная температура, без внешних полей) практически невозможен (что подтверждается известным из экспериментов длительным сохранением поляризации) Только в случае гексагональной разупорядоченной фазы протон локализуется у следующей протонной вакансии - но остается на том же участке канала, ограниченном соседними кальциевыми треугольниками, «запирающими» носитель заряда на участке В результате можно провести аналогию с ориентационной поляризацией сег н етоэ лектриков,

• проведена серия компьютерных экспериментов с целью выяснить

влияние электрического поля на величины энергетических барьеров при

16

переносе протона в гидроксилапатите Расчеты были проведены для гидроксилапатита в гексагональной и моноклинной фазах Показано, что величины электрического поля, необходимого для переключения минимумов двухъямного потенциала, имеют порядок 109 В/м,

• качественно промоделировано взаимодействие гидроксилапатитной частицы с титановой подложкой, такая система весьма распространена в протезировании, показано изменение направления дипольного момента системы по сравнению с направлением дипольного момента апатитной частицы Из сравнения с экспериментальными данными, подтверждающими, что для лучшего срастания с костью, поверхность имплантанта должна быть отрицательно поляризована, и данными о числе операций по замене протезов, сделан вывод о необходимости применения другого подхода к композиционным материалам в изготовлении протеза Предложен биомиметический композит, состоящий из поливинилденфторида ПВДФ (играет роль коллагена в композите) и частиц гидроксилапатита Проведено качественное моделирование такой системы

Приложение 1

Приведены использовавшиеся кристаллографические данные

Приложение 2

Описывается программа, с помощью которой по преобразованиям группы симметри получалась структура исследуемого минерала

Список публикаций:

1 Парамонова Е В, Быстров В С, Компьютерное моделирование механизмов поляризации апатита // Естественные и технические науки, №2, 2008 г, - стр 81-85

2 V Bystrov, Е Paramonova, N Bystrova, A Sapronova A, S Filippov, "Computational Molecular Nanostructures and Mechanical/Adhesion Properties of Hydroxyapatite. Review paper", In 3-id Edition of "Micro- and Nanostructures of Biological Systems", Ed by G Bischoff, Shaker Press Aachen, Germany, 77 - 93 (2005) isbn-io 383223ш9, isbn-13 9783832238681

http'//www impb ru/downloads/Nano2004 pdf

3 Y Dekhtyar, V Bystrov, A Karlov, A Katashev, С Meissner, A Patmalnieks, E Paramonova, N Polyaka Natively charged hydroxyapatite nanopoparticles for implants // Journal of Biomechanics, Volume 39, Supplement 1, 2006, Page

17

S592 - From Int Congress of Biomechanics, Munchen, Germany Jule 2006

ISSN 0021-9290

4 V Bystrov, N Bystrova, E Paramonova, A Sapronova, S Fihppov, "Modeling and computation of Hydroxyapatite nanostructures and properties" // ADVANCED MATERIALS FORUM III, parts 1 and 2, MATERIALS SCIENCE FORUM Vol 514-516, Part 1-2, pp 1434-1437(2006)

httpV/0-87849-402-2 scientific net/0-87849-402-2/1434/

5 Y Dekhtyar, V Bystrov, A Karlov, A Katashev, С Meissner, A Patmalmeks, E Paramonova, N Polyaka Size related electron work function of hydroxyapatite nano particles. // Journal of the University of Applied Science Mittweida, 2006, No 10, pp 19-21 (From 18th International Scientific Conference of Mittweida, November 9 -10, 2006, Mittweida, Germany)

6 Парамонова E В , Быстров В С, Сапронова А В , Быстрова Н К, Композитный материал для имплантантов на основе гидроксилапатита и поливинилиден фторида (ПВДФ). Компьютерное моделирование // В Сб 11-я международная школа Пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология - наука 21-го века», 29октября-2ноября 2007 г, Пущино -Тезисы докладов - стр 60

7 V S Bystrov, N К Bystrova, Е V Paramonova, A L Kholkm, Polyvmylidene Fluoride Ferroelectric nanocomposite // Program and Abstract Book of EMF-2007, 3-7 September2007,Bled, Slovenia - p 121 -(CD edition)

8 V Bystrov, N Bystrova, E Paramonova, A Sapronova, A L Kholkm, Computational modeling of novel polymer ferroelectric composites using HyperChem and HyperNMR software. // Program and Abstract Book of First SMARTER Crystallography, 6-7 September 2007, University of Aveiro, Portugal -p 45

9 V Bystrov, N Bystrova, E Paramonova Hydroxyapatite polarization properties // Book of abstracts 3rd Baltic conference of silicate materials, 24-25 May, 2007, Riga, Latvia, pp 35-37

10 V Bystrov, N Bystrova, E Paramonova Hydroxyapatite - polyvmylidene fluoride nanocomposite // Book of abstracts 3rd Baltic conference of silicate materials, 24-25 May, 2007, Riga, Latvia, pp 53-54

11 V Bystrov, N Bystrova, Yu Dekhtyar, S Fihppov, A Karlov, A Katashev, С Meissner, E Paramonova, A Patmalmeks, N Polyaka, A Sapronova Size Depended Electrical Properties of Hydroxyapatite Nanoparticles. И IFMBE proc. CD version, Springer, 14, 3149-3151 (2006)- From Int Congress of Biomed Physics, Seul, Koreya, August 2006

12 V Bystrov, E Paramonova, A Sapronova, S Fihppov, I Kim, N Bystrova, Y Dekhtyar, С Messner, N Polyaka, A Katashev, A Patmalmeks, R Bendere, W Roth Computer modeling of Hydroxyapatite Nanoparticles and its interaction with heavy metal ions and titanium substrate. Ill Математическая биология и биоинформатика I Международная конференция, г Пущино, 9-15 Октября 2006 г Доклады/ Под ред В Д Лахно - М МАКС Пресс, 2006 - стр 22-23

13 Быстров ВС, Парамонова ЕВ, Сапронова АВ, Квантово-химическое исследование свойств гидроксилапатиата - аналога минеральной составляющей костной ткани позвоночныхУ/5 Сб 10-ая международная Пущинская конференция молодых ученых «Биология -наука 21-го века», 17-21 апреля 2006 г, Пущино - Тезисы докладов - стр 347

14 Bystrov V, Bystrova N , Paramonova E , Fihppov S ,Sapronova A ,Baumuratova T Computer simulation and computational exploration of Hydroxyapatite biomaterials nanostructures, surface's and adhesive properties // In

Abstracts Book of 19th European Confeience on Biomaterials, Sorento, Italy, 1115 September 2005

15 Bystrov V, Sapronova A, Bystrova N, Paramonova E, Fihppov S Proton transport m hydrogen-bonded systems- ab inition modeling of hydroxyapatite (HAP) crystal surface properties // In Abstracts Issue of 49'h Annual Meeting of Biophysical Society on CD-Rom - February 12-16, 2005 -Long Beach, California, USA -Program # 532-Pos, Session Title Biophysics of Ion Permeation

16 Bystrov V, Bystrova N, Paramonova E Modeling and computation of Hydroxyapatite nanostructures and properties. // In "MATERIALS 2005" XII Portuguese Materials Society Meeting III International Materials Symposium March 20th -23rd, 2005. - University of Aveiro, Portugal - Program and Abstract Book - p 317

17 Bystrov V, Paramonova E , Bystrova N, Sapronova A, Fihppov S Computational Molecular Nanostructures and Mechanical Properties of Hydroxyapatite Abstracts of 3rd Symposium "Micro- and Nanostructures of Biological Systems", June, 2004 - Halle, Germany - Martin Luther University Halle-Wittenberg, 2004 - p 64-68

18 Быстров ВС, Парамонова ЕВ Механизмы переноса заряда и поляризации в структуре гидроксилапатиата ИВ Сб 8-ая международная Пущинская конференция молодых ученых «Биология -наука 21-го века», 17-21 мая 2004 г, Пущино - Тезисы докладов - стр 241242

19 Быстров ВС, Парамонова ЕВ, Сапронова АВ, Филиппов С В Моделирование переноса протона и поляризации в гидроксилапатиате ИВ Сб XV Всероссийская конференция «Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов для решения задач математической физики с приложением к многопроцессорным системам», посвященная памяти К И Бабенко, 8-11 сентября 2004 г, Дюрсо - Тезисы докладов - ИПМ РАН, Москва-Дюрсо, 2004 - стр 23

Подписано к печати Тираж 400 Заказ

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Парамонова, Екатерина Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Обзор литературы.

Гидроксилапатит: структура, предполагаемые механизмы переноса заряда.

ГЛАВА И. Методы компьютерного моделирования.

Поверхность потенциальной энергии.

Молекулярная механика.

Квантово-химические методы.

Методы ab initio.

Полуэмпирические методы.

Базисные наборы.

Точность квантово-химических расчетов.

Выбор методов расчётов.

ГЛАВА III. Модели структуры апатита. Размерный эффект.

ГЛАВА IV. Определение возможности переноса протона в канале гидроксилапатита.

Определение энергетических барьеров на пути переноса протона по каналам апатитной структуры.

Влияние внешнего электрического поля на энергетические барьеры.

ГЛАВА V. Композиционные материалы на основе фосфатов кальция - дальнейшие перспективы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Моделирование механизмов поляризации фосфатов кальция"

Одной из основных тенденций современной жизни является всё возрастающий интерес к повышению качества и увеличению продолжительности человеческой жизни. Среди многих направлений достижения этой цели следует выделить создание материалов для искусственных органов и тканей. За последние тридцать лет самые различные новые материалы (керамика, металлы, полимеры) нашли применение в лечении, восстановлении и замене кожных покровов, мышечной ткани, кровеносных сосудов, нервных волокон, костной ткани и других частей человеческого организма.

Широкие перспективы в области разработки биоматериалов связаны с внедрением биокерамики. Особый интерес представляют исследования, относящиеся к "регенерационному" подходу, при котором упор делается не на замещение костного дефекта постоянным имплантатом с подходящими механическими характеристиками, а на быструю биодеградацию материала имплантата и последующую замену его костной тканью. Такие материалы называют биоактивными.

На протяжении последних трёх десятилетий на первый план в качестве заменителя кости выдвигается керамика на основе фосфатов кальция, в основном гидроксилапатита. Гидроксилапатит (Са5(Р04)з(0Н)), соответствует по структуре и составу минеральному компоненту кости и широко используется в хирургии и в стоматологии для покрытия внутрикостной части имплантатов, заполнения дефектов кости.

Известно, что гидроксилапатит стимулирует образование новой костной ткани на своей поверхности. При этом экспериментально установлено [129, 142,167,172], что эффективность нарастания костной ткани на поверхности усиливается при поляризации поверхности гидроксилапатитной керамики.

Физические и химические свойства апатитов объясняются их структурой, одной из характерных особенностей которой является существование каналов из одномерных цепочек ОН" [96,127]. Возникновение заряда на поверхности (поляризация поверхности) обусловлено, в том числе, переносом протонов по цепочке ОН". Результаты экспериментов по измерению переноса заряда показали, что протонная проводимость в образцах апатитов возникает именно вдоль таких цепочек [127,136,144]. Однако детальный механизм поляризации гидроксилапатита еще неизвестен.

В настоящее время, исследования механизмов переноса протонов активно развиваются также для самых различных объектов: процессов фотосинтеза (функционирование фотореакционных центров), процессов гейтинга (открытия различных потенциал-зависимых и рН-зависимых ионных каналов возбудимых биологических мембран), в полимерных молекулярных и тонкопленочных структурах, в процессах фазовых переходов в водородсодержащих кристаллах и сегнетоэлектриках. Особое внимание уделяется полярным системам, т.е. имеющим компоненты с выделенными направлениями поляризации, к которым относятся и биологические мембраны возбудимых тканей, и сегнетоэлектрические структуры, в том числе тонкие плёнки, и кристаллические структуры, имеющие цепочки водородных связей такие, как структуры апатитов [143,151,141,137]. Такие структуры важны при исследованиях биологических систем и могут широко применяться в таких областях, как биомедицина, биотехнологии и нанотехнологии.

Водородная связь в различных системах обычно описывается потенциалом с двумя минимумами потенциальной энергии протона (двойная потенциальная яма), и динамика водородной связи определяется процессами перехода между этими двумя потенциальными минимумами в разных условиях. Перенос (транспорт) протонов играет важную роль в динамике всех известных водородсвязанных систем: в биологических, химических и твердотельных системах.

Моделирование механизмов поляризации фосфатов кальция (гидроксилапатита) в том числе посредством переноса протонов в его структуре, исследование влияния на процесс поляризации различных факторов (таких, как примеси в структуре и внешнее электрическое поле) является основной задачей данной работы.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Парамонова, Екатерина Владимировна

ВЫВОДЫ

На основе полученных в третьей главе вариантов структуры апатита построены оригинальные модели для расчета профилей потенциальной энергии в канале и определения наиболее вероятного пути переноса протона. Профили потенциальной энергии протона в канале для всех исследуемых моделей имеет характерный вид асимметричной двойной потенциальной ямы с барьером разной высоты и ширины. Полученные величины барьеров позволяют сделать следующие выводы:

1. энергетический барьер для протонного транспорта достаточно велик для переноса протона в каналах большинства исследованных моделей структур гидроксилапатита (кроме гексагональной разупорядоченной модификации) при нормальных условиях (комнатная температура, без внешнего влияния);

2. во всех исследованных структурах существует ориентационная поляризация - протон локализован возле кислорода. Для прохождения протона через потенциальный барьер требуются дополнительные специальные условия - например приложение электрического поля, давление или повышение температуры;

3. проведено исследование влияния величины электрического поля на величину энергетических барьеров для переноса протона по каналу. Оценены величины приложенного электрического поля, необходимого для переключения минимумов асимметричного двухъямного потенциала, они имеют порядок 109 В/м, что сопоставимо с полями внутри биологических мембран;

4. установлено, что в случае гексагональной разупорядоченной модели без приложения внешнего поля барьер на пути переноса протона мал ДЕ1 = 0,68 еУ, более того, энергетически более выгодно положение во второй яме (ДЕ12 = -0,15 еУ);

5. определен барьер для переориентации группы ОН относительно-кальциевого треугольника. Его величина АЕ = 3,12 еУ позволяет сделать вывод о «фиксации» протона в участке канала между двумя кальциевыми треугольниками.

ГЛАВА V. Композиционные материалы на основе фосфатов кальция - дальнейшие перспективы.

Ни один из материалов, используемых для изготовления биоимплантатов (металлы, полимеры, керамика), не обладает всеми свойствами костной ткани. Композиты, состоящие из двух или нескольких материалов, которые принадлежат к разным группам, объединяют их достоинства и дают возможность сделать имплаитат, наиболее близкий к кости по основным механическим и химическим свойствам. Последнее очень важно, поскольку разница в упругих свойствах имплантатов и окружающих тканей организма приводит к разрывам химических связей между ними при механических нагрузках. А это, в свою очередь, приводит к плохой приживаемости и даже к отторжению имплантанта. Органический костный матрикс (в который входят волокна коллагена) и неорганическая составляющая (фосфаты кальция) образуют своеобразный композиционный материал. Воспроизвести досконально морфологию костной ткани in vitro (и, следовательно, достичь такого же, как у кости, сочетания биологических и механических свойств) не представляется возможным в ближайшее время. К сожалению, не удается получить керамику с необходимой прочностью на основе чистого гидроксилапатита, что существенно ограничивает область ее применения. Керамика на основе гидроксилапатита характеризуется довольно низкой стойкостью к распространению трещин и большим разбросом экспериментальных значений прочности от образца к образцу. Влажная среда, имитирующая среду организма, лишь усугубляет эти отрицательные свойства керамики.

Различные типы биоактивных керамик, получаемые методом спекания порошкообразных фосфатов кальция, являются чересчур твердыми и неэластичными. Именно поэтому все больший интерес привлекают к себе различные полимерные материалы и минерал-полимерные композиты на их основе. Так как гидроксилапатит является основным минеральным компонентом натуральной костной ткани, то его использование в композитном имплантанте является естественным способом улучшения его свойств.

В качестве полимера имитирующего естественный полимер костной ткани — коллаген, по волокнам которого ориентируется синтезируемый клетками костной ткани гидроксилапатит, был выбран поливинилденфторид (ПВДФ) [67,79].

ПВДФ, использующийся на сегодняшний день в качестве шовного материала в хирургии, является в то же время и активно исследуемым сегнетоэлектриком. Полимерные пленки ПВДФ удобны для различных применений, так как имеют электрические и акустические характеристики близкие к биологических объектам, они легко управляемы и технологичны и оказываются значительно дешевле других подобных материалов. На их основе можно делать молекулярные устройства как для микро-электроники, так и для биомедицины, кроме того, этот материал уже применяется в медицине в качестве нерассасывающегося шовного материала.

ПВДФ представляет собой длинные полимерные цепи из элементов - .Т.к. фтор и водород имеют здесь разные заряды, которые нескомпенсированы и удерживаются на расстоянии около 0.15 нм ковалентными связями, эти элементы имеют дипольный момент, направленный от ионов фтора к водороду.

Для моделирования взаимодействия гидроксилапатита и ПВДФ использовались модели структуры апатита из третьей главы. Оптимизация геометрии проводилась методом молекулярной механики в НурегСЬеш (Рис.5.1). Показано свойство ГА связываться с полимером ПВДФ, дальнейшие исследования композитного материала ведутся в~рамках~гранта 1ЫТА8-05-1000008-8091.

141? , - / \\>. г" i v * к л Т*- " /-Х 2? V 1 V ^ л к V . 4 .4

Рис. 5.1. «малый» кластер во взаимодействии с ПВДФ до оптимизации и после ММ в НурегСИет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе основное внимание было уделено выяснению механизмов переноса протонов в структурах гидроксилапатита. Также в число поставленных задач входило выяснение других возможных механизмов поляризации поверхности этого важного в медицине и биотехнологии минерала. В процессе решения поставленных задач:

• Были исследованы экспериментальные данные по поляризации фосфатов кальция и найдены свидетельства о ключевой роли транспорта протонов по каналам кристаллической структуры в процессах поляризации и деполяризации апатитов.

• Построенные на основе экспериментальных данных 3-х-мерные модели наноструктур гидроксилапатита (ГА) оптимизированы с использованием адаптированных программных средств HyperChem. На основе полученных моделей в ОПИТ ИМПБ РАН создана анимационная модель ГА.

• Установлен размерный эффект - с ростом размера наночастиц ГА изменяется работа выхода, что влияет на адгезионные свойства. Показано, что этот эффект обусловлен большим поверхностным разупорядочением наночастиц ГА меньшего размера.

• Проведена серия компьютерных экспериментов по определению энергетических барьеров на пути переноса протона, в том числе для апатита с наиболее физиологически значимой примесью в канале - фтором. Также оценена величина барьера для прохождения протона через кальциевый треугольник в канале. Расчеты проводились для обоих возможных путей переноса протона: вдоль канала и через кислороды фосфатных групп, образующих канал. Расчеты выполнены ab initio методами с помощью программы Gaussian 98, на кластере Пущинского научного центра РАН.

• Полученные величины энергетических барьеров позволяют сделать вывод о предпочтительном пути переноса протона для гидроксилапатита в моноклинной, гексагональной упорядоченной и разупорядоченной фазах, а также для гидроксилапатита с примесыо фтора. Показано, что транспорт протона в канале апатитной структуры в нормальных условиях (комнатная температура, без внешних полей) практически невозможен (что подтверждается известным из экспериментов длительным сохранением поляризации). Только в случае гексагональной разупорядоченной фазы протон локализуется у следующей протонной вакансии - но остается на том же участке канала, ограниченном соседними кальциевыми треугольниками, «запирающими» носитель заряда на участке. В результате можно провести аналогию с ориентационной поляризацией сегнетоэлектриков.

• Также проведена серия компьютерных экспериментов с целью выяснить влияние электрического поля на величины энергетических барьеров при переносе протона в гидроксилапатите. Расчеты были проведены для гидроксилапатита в гексагональной и моноклинной фазах. Показано, что величины электрического поля, необходимого для переключения минимумов двухъямного потенциала, имеют порядок 109 В/м.

• Качественно промоделировано взаимодействие гидроксилапатитной частицы с титановой подложкой, такая система весьма распространена в протезировании, показано изменение направления дипольного момента системы по сравнению с направлением дипольного момента апатитной частицы. Из сравнения с экспериментальными данными, подтверждающими, что для лучшего срастания с костью, поверхность имплантанта должна быть заряжена, и данными о числе операций по замене протезов, сделан вывод о необходимости применения другого подхода к композиционным материалам в изготовлении протеза. Предложен биомиметический композит, состоящий из поливинилиденфторида ПВДФ (играет роль коллагена в композите) и частиц гидроксилапатита.

По результатам работы также подготовлены демонстрационные и методические материалы, необходимые в дальнейшей работе и при выступлениях на семинарах и конференциях.

Работа выполнена в рамках проекта Европейского содружества ИМРЗ-СТ-2003- 504937 (РЕС11СЕ11АМ1С8). Исследования по развитию биомиметического композита ПВДФ - гидроксилапатит продолжаются в рамках гранта МГА8-05-1000008-8091.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Парамонова, Екатерина Владимировна, Москва

1. Албертс Б., Брей Д., Лыоис Дж., Рэфф М., Роберте К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах, 2-е издание. - М.: Мир, 1993.

2. Алексеев P.A., Аминова P.M., Савостина Л.И, Динамика переноса протона в ряду реакций фосфитов с альдегидами, Структура и динамика молекулярных систем, вып. X, часть 3, стр. 150-152, 2003г.

3. Аликберова Л.Ю., Савинкина Е.В., Давыдова М.Н., Основы строения вещества, методическое пособие. М., МИТХТ, 2004 г. http://www.alhimik.ru/stroenie/gl 14.html

4. Байгулова О.В., Насибуллин P.C. Квантовохимические исследования механизмов взаимодействия диоксинов с клеточными фосфолипидами, электронный журнал «Исследовано в России» http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/064.pdf

5. Бейдер Р., Атомы в молекулах, М., Мир, 2001.

6. Белецкий Б.И., Российские кости, Путь в науку №1, 2005 http://yos.ru/default.asp?obno=540

7. Берсукер И.Б. Электронное строение и свойства координационных соединений. Л: Химия, 1986.

8. Быстров B.C., Динамика систем с водородными связями, Биомедицинская радиоэлектроника, №3, 2000, стр. 34-40.

9. Вакс В.Г. Введение в микроскопическую теорию сегнетоэлектриков. М.: Наука, 1973.

10. Введение в курс квантовой химии и учебник по HyperChem http://www.kirensky.ru/books/book/

11. Витковская Н.М. Метод молекулярных орбиталей: основные идеи и важные следствия, Соросовский образовательный журнал, № 6, 1996, стр. 58.

12. Волькенштейн М.В. Биофизика, М., Наука, 1981.

13. Волькенштейн М.В. Молекулярная биофизика, М., Наука, 1975.

14. Голованов И.Б., Пискунов А.К., Сергеев Н.М., Элементарное введение в квантовую биохимию, М., Наука, 1969, 236 стр.

15. Головин Ю.И., Вода и лёд знаем ли мы о них достаточно?, Соросовский образовательный журнал, т.6, № 9, 2000, стр. 66-72.

16. Грибов В. Д., Муштахова С. П., Квантовая химия: Учебник для студентов химических и биологических специальностей высших учебных заведений, М.: Гардарики, 1999, 387 стр.

17. Григоренко Б. JL, Князева М. А., Немухин А. В., Моделирование реакций в водных кластерах методами квантовой химии, Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 2. Химия. 2001. Т. 42. № 2,ст. 92.20; ~ Григоренко Б.Л., Рогов* А.В^,-Князева-М.А., Исаева-Е.В.,-Немухин--------

18. A.B., Моделирование механизма реакции гидролиза гуанозинтрифосфата белковым копмлексом RAS.GAP, Вестн. Моск. Ун-та, Сер. 2. Химия, 2005. т. 46. № 1, стр.1 9-23.

19. Давыдов A.C. "Биология и квантовая механика", 1979

20. Дьюар М., Теория молекулярных орбиталей в органической химии М 1999.

21. Епифанов Г.И., Физика твердого тела, Высшая школа, М., 1977, 288 стр.

22. Желудев И.С. Основы сегнетоэлектричества. -М.: Атомиздат, 1973.-256с.

23. Зацепина Г.H. Физические свойства и структура воды. Изд-во Моск. Университета, 1987.

24. Киселев В.Ф., Козлов С.Н., Зотеев A.B., Основы физики поверхности твердого тела, М.: Изд-во МГУ, 1999. 284 стр.

25. Киттель Ч., Введение в физику твердого тела, М., Наука, 1978, 792 с.

26. Кларк Т., Компьютерная химия, М., Мир, 1990.

27. Компьютерная технология квантово-химических расчетов с помощью программного пакета "GAUSSIAN", Метод, пособие, под редакцией A.M Кузнецова, Казан. Гос. Технол. ун-т, Казань, 2003.-88с.

28. Краснов К.С., Молекулы и химическая связь, М., Высшая школа, 1984, 295 стр.

29. Лашутин C.B., Фосфорно-кальциевый обмен в норме, «Гемодиализ для специалистов»,http://www.hdl 3 .ru/3 5 4/fosforno-kaltsievyi-obmen-v-norme-kaltsii

30. Мак-Вини Р., Сатклиф Б. Квантовая механика молекул: М: Мир, 1972, 384с.

31. Мигдал А. Б., Крайнов В. П., Приближенные методы квантовой механики, Наука, М. 1966, 152 стр.

32. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев P.M., Теория строения молекул. М., Наука, 1997.

33. Москва В.В., Водородная связь в органической химии, Соросовский образовательный журнал, № 2, 1999, стр. 58-64.

34. Немухин А. В., Компьютерное моделирование в химии, Соросовский образовательный журнал, № 26, 1998, стр. 48.

35. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М., Просвещение, 1987.

36. Пиментел Дж., Мак-Келлан О., Водородная связь. М.: Мир, 1964.

37. Путляев В.И., Современные биокерамические материалы, Соросовский образовательный журнал, т. 8, № 1, 2004, стр. 44.

38. Российский стоматологический портал http://stom.ru

39. Рубин А.Б. Биофизика. Том .1,2 М., Книжный дом, 1999.

40. Савин A.B., Моделирование динамики ориентационных дефектов в зигзагообразных цепочках водородных связей кристаллическогохлористого водорода, Химическая физика, т. 13, №2, 1994, стр. 136144.

41. Сиротин Ю. И., Шаскольская М.П., Основы кристаллофизики, М., Наука, 1979, 640 с.

42. Слэттер Дж., Методы самосогласованного поля для молекул и твердых тел, М., 1978.

43. Сонин A.C. Некоторые вопросы кристаллохимии сегнетоэлектриков с водородными связями. Сегнетоэлектрики. Ростов: РГУ, 1962.-255 с.

44. Сонин A.C., Струков А.Б. Введение в сегнетоэлектричество. М.: Высшая школа, 1970.

45. Степанов Н.Ф. Водородная связь: как ее понимать. Соросовский образовательный журнал, т. 7, № 2, 2001, стр. 28.

46. Степанов Н.Ф., Квантовая механика и квантовая химия. М., Мир, 2001.

47. Степанов Н.Ф., Потенциальные поверхности и химические реакции, Соросовский образовательный журнал, № 10, 1996, стр. 33.

48. Струков Б.А., Леванюк А.П. Физические основы сегнетоэлектрических явлений в кристаллах. М.: Наука, Физматлит, 1995, с. 304.

49. Терешин Г.С., Химическая связь и строение вещества, М., Просвещение 1980, 176 стр.

50. Тулуб A.A. Магниевый (Mg2+) кофактор в триплетном состоянии восстанавливает протон одной из координированных молекул воды до атома водорода и с большой скоростью выталкивает его из комплекса. Биофизика, т. 47, вып. 1, с. 20-26, 2002.

51. Тулуб A.A. Миграция протонов стопке молекул тирозина под воздействием иона Mg2+ и электрического поля. Математическая модель. Биофизика, т. 46, вып. 4, с. 581-588, 2001.

52. Фудзинага С., Метод молекулярных орбиталей, М., 1983.

53. Шаскольская М.П., Кристаллография, Высшая школа, М., 1984, 376 с.

54. Agmon N. The Grotthuss mechanism. Chem. Phys. Lett., v. 244, 1995, p. 456.

55. Ando TY., Electronic properties of two-dimensional systems, Reviews of modern physics. V. 54, No. 2, 1982.

56. Atkins P. W., Friedman R S., Molecular Quantum Mechanics, 3d Edition, 1996, pp. 562.

57. Bennis A., Miskane F., Hitmi N., Vignoles M., Heugherbaert M., Lamure A., LaCabanne C., Influence of defects and substitutions on polarization phenomena of bioelectrets. IEEE Transactions on Electrical Insulation, Vol. 27, No 4., 1992, p. 826.

58. Betts F., Posner A. S., An x-ray radial distribution study of amorphous calcium phosphate, Mater. Res. Bull. 9, 353, 1974.

59. Bharati S., Sinha M. K., Basu D., Hydroxyapatite coating by biomimetic method on titanium alloy using concentrated SBF, Bull. Mater. Sci., Vol. 28, No. 6, October 2005, pp. 617-621.

60. Biomaterial science. Ed. B.D. Ratner et al. Academic Press. London 1996.

61. Bjerrum N., Dan K., Vidensk. Selsk. Mat. Fys. Medd., v. 27, 1951, p. 1; Science, v. 115, 1952, p. 385.

62. Bowen W.R, Lovitt R., Wright C.J. Atomic force microscopy of the adhesion of Saccharomyces cerevisiae, J. of Colloid and Interface science, 237, 2001, 54-61.

63. Bucholz RW, Carlton A, Holmes RE. Hydroxyapatite and tricalcium phosphate bone graft substitute. Orthop Clin North Am., 1987; 18:323— 334.

64. Bystrov V. S., Bystrova N. K., Paramonova E. V., Sapronova A. V., Computational nanostructures and physical properties of the ultra-thin ferroelectric Langmuir-Blodgett films.// Ferr. Lett. 2006

65. V. Bystrov, N. Bystrova, E. Paramonova. Hydroxyapatite -polyvinylidene fluoride nanocomposite. // Book of abstracts 3rd Baltic conference of silicate materials, 24-25 May, 2007, Riga, Latvia, pp. 5354.

66. V. Bystrov, N. Bystrova, E. Paramonova. Hydroxyapatite polarization properties. // Book of abstracts 3rd Baltic conference of silicate materials, 24-25 May, 2007, Riga, Latvia, pp. 35-37.

67. Bystrov V., Green M., Sapronova A., Proton Transfer in Hydrogen-bonded Ferroelectrics and Related Systems European Meeting on Ferroelectrics. Cambridge, UK, 2003.

68. Bystrov V.S., A. V.Sapronova, T.R.Tazieva, V.A.Zavorov, Bioferroelectricity, Nanotechnology and Related Problems. 10-th International Meeting on Ferroelectricity. Madrid, Spain, 2001.

69. Bystrov V.S., Sapronova A.V., Tazieva T.R., M. Green, Nonlinear Dynamics of Proton Transfer in the H-bonded Systems. Physics of Vibration, v.9, № 3, 2001, p.168.

70. Bystrov V.S., Tazieva T.R., Microwave impact on phase transition in hydrogen-bound ferroelectrics. Physics of Vibrations, Vol. 9, No 4, pp.268-273

71. Calvert P., Mann S., Nature (London), v. 386, 1997, p. 127.

72. Castner D.G., Ratner B.D., Biomedical surface science: foundations to frontiers, Surface Science 500, pp 28-60, 2000.

73. Cramer C.J., Essentials of Computational Chemistry. Theories and Models. Chichester: John Wiley & Sons, 2002.

74. Dames J. E., Causton B., Bovell Y., Davy K., C. S. Sturt, The migration of osteoblasts over substrata of discrete surface charge, Biomaterials, 1986 May;7(3):231-3.

75. David C. Young Computational Chemistry, Willey & Sons Publication, Inc. 2001.

76. Davies J.E., Causton B., Bovell Y., Davy K., Sturt C.S., The migration of osteoblasts over substrata of discrete surface charge, Biomaterials 1986, 7, pp 231-233.

77. Dekhtyar Y., Bystrov V., Karlov A., Katashev A., Meissner C., Patmalnieks A., Paramonova E., Polyaka N. Natively charged hydroxyapatite nanopoparticles for implants. Journal of Biomechanics, V. 39, Supplement 1, 2006, Page S592.

78. Doss S.K., Surface properties of hydroxyapatite: I. The effect of various inorganic ions on the electrophoretic behavior, J. Dent. Res. Nov-Dec. 1976, pp. 1067-1075.

79. Eigen M., L. de Mayer. Proc. Roy. Soc., v. A247, 1958, p. 505.

80. Elliott JC, Wilson RM and SEP Dowker, Apatite structures, Advances in X-ray Analysis, Volume 45, 2002,pp 172-181.

81. Fanovish M.A., Castro M.S., Lopez J.M.P., Ceram. Int., v. 25, 1999, p. 517.

82. Fernandezt A., Statistical mechanical model for proton transfer in RNA, J. Phys. A: Math. Gen. 23 (1990), L247-L252.

83. Foresman JB., Frisch A., Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods: A Guide to Using Gaussian, Second Ed., Gaussian, Inc., Pittsburgh, PA, 1996.

84. Frenkel D., Smit B., Understanding molecular simulation: from algorithms to applications. Academic Press, 1996.

85. Gaussian 98 Programmers Reference, Gaussian, Inc., 1998.

86. Gershfeld N., Ginsberg L., Probing the unilamellar state of membranes, J. Membrane Biol. 156, 279-286, 1997.

87. Green ME. 2001a. Ab initio calculations on a critical part of a protein, with an H5O2 partially charged group in a central role. J. Phys. Chem. B 105:5298-5303.

88. Hadzi D., Kidric B., Quantum chemical modeling of some biological mechanisms involving proton transfer, Pure & Appl. Chem., Vol. 61, No. 12, pp. 2175-2183, 1989.

89. Hehre W. J., Ditchfield R., Pople J. A., J. Chem. Phys., 56, 2257, 1972.

90. Hehre W. J., Shusterman A. J., Nelson J. E., The Molecular Modeling Workbook for organic chemistry, Wavefunction, Inc., 1998, pp.307.

91. Hench L.L., Bioceramics. J.Am.Ceram.Soc., 1998, 81 (7), p.1705-28.

92. Hinchliffe A., Modelling Molecular Structures, John Wiley & Sons Ltd., 2000.

93. Hitmi N., Chatain D., LaCabanne C., Dugas J., Trombe J.C., Rey C., Montel G., TSC study of dipols reorientations in hydroxyapatites. Solid State Comm., Vol. 33, pp. 1003-1004, 1980.

94. Hitmi N., LaCabanne C., Young R.A., OH" dipole reorientability in hydroxyapatites: effect of tunnel size. J.Phys.Chem.Solids, Vol.47, No 6, pp 533-546, 1986.

95. HyperChem Computational Chemistry Part 1 Practical Guide, Part 2 Theory and Methods, Hypercube, Inc. 1996, pp.350.

96. Jeffrey G.A., Saenger W. Hydrogen bonding in biological structures. Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, 1991.

97. Jensen F., Introduction to Computational Chemistry, John Wiley & Sons, 1999, pp.429.

98. Karlinsey R. L., Keewook Y., Duhn C. W., Nucleation and growth of apatite by a self-assembled polycrystalline bioceramic, Bioinsp. Biomim. 1, 2006, pp 12-19.

99. Kasemo B., Biological surface science, Surface Science 500, pp 656677, 2002.

100. Kay M.I., Young R.A., Posner A.S., Crystal Structure of Hydroxyapatite, Nature (London), v. 204, 1964.

101. Khalack J. M., Velgakis M. J., Comment on 'Dynamic properties of proton transfer in hydrogen-bonded molecular systems', J. Phys.: Condens. Matter 14 (2002) 4747-4751.

102. Kobayashi T., Nakamura S., Yamashita K. Enhanced osteobonding by negative surface charges of electrically polarized hydroxyapatite. J. Biomed. Mater. Res., 57, pp.477-484, 2001.

103. Kobayashi T., Ohgaki M., Nakamura S., Yamashita K., Bioceramics, v. 12, 1999, p. 291.

104. Kreuer K.D., Chem. Mater., v. 8, 1996, p. 610.

105. Krukowski M, Shively RA, Osdoby P., Eppley BL., Stimulation of craniofacial and intermedullary bone formation by negatively charged- beads, J Oral Maxillofac Surg 1990^ 48rpp-468-475. - - -

106. Kwon T. Y., Fujishima, T., Imai, Y., FT-Raman spectroscopy of calcium hydroxide medicament in root canals. International Endodontic Journal 37 (7), 2004, 489-493.

107. Layrolle P., Lebugle A., Characterization and Reactivity of Nanosized Calcium Phosphates Prepared in Anhydrous Ethanol, Chem. Mater. 1994, 6, 1996-2004.

108. Leach A.R. Molecular modelling. Principles and applications 2ed., 2001.

109. Maiti G.C., Freund F., Influence of fluorine substitution on the proton conductivity of hydroxyapatite. J.Chem.Soc. Dalton, pp.949-955, 1981.

110. Martinez S.E., D. Huang, M. Ponomarev, W. A. Cramer, J. L. Smith. 1996. The heme redox center of chloroplast cytochrome-f is linked to a buried 5-water chain. Protein Sci., v. 5, 1996, p. 1081.

111. Masunov A., Dannenberg J.J., Contreras R.H., C-H Shortening upon hydrogen bond formation: influence of an electric field, J. Phys.Chem., A, 105, 2001, 4737-4740.

112. Methods in Molecular Medicine, Vol. 80: Bone Research Protocols, edited by M. H. Helfrich, S. H. Ralston, Humana Press Inc., Totowa, NJ.

113. Murata K., Hoshino T., Sato Y., Hata M., Tsuda M., A factor to determine the direction of the proton transfer in bacteriorodopsin, Chem-Bio Informatics Journal, Vol.2, No. 3, pp.97-103, 2002.

114. Nagle J.F., Tristram-Nagle S., J. Membr. Biol., v. 74, 1983, p. 1.

115. Nakamura S., Kobayashi T., Yamashita K. Extended bioactivity in the proximity of hydroxyapatite ceramic surfaces induced by polarization charges J. Biomed. Mater. Res.61 pp. 593-599, 2002.

116. Nakamura S., Kobayashi T., Yamashita K. Proton transport polarization and depolarization of hydroxyapatite ceramics. Journal of ; applied physics, Vol. 89, No 10, pp. 5386-5392, 2001.

117. Narasaraju T. S. B., Phebe D. E., Review: Some physico-chemical aspects of hydroxylapatite, J. of Mat. Sc. 31 (1996) 1-21.

118. Parr R.G., Yang W., Density-functional theory of atoms and molecules, Oxford University Press, New York, Clarendon Press, Oxford, 1989, pp.333.

119. Peter B., Zambelli P.-Y., Guicheux J., Pioletti D. P., The effect of bisphosphonates and titanium particles on osteoblasts, The Journal of Bone and Joint Surgery, Vol. 87-B, No. 8, 2005, pp. 1 157-1163.

120. Pezzotti G., Raman piezo-spectroscopic analysis of natural and synthetic biomaterials, Anal Bioanal Chem (2005) 381: 577-590.

121. Pomes R., Roux B., Free energy profile for H+ conduction along hydrogen-bonded chains of water molecules. Biophysical Journal, v. 75, 1998, p. 33.

122. Posner A. S., Betts F., Synthetic amorphous calcium, phosphate and its relation to bone mineral structure, Acc. Chem. Res. 8, 273, 1975.

123. Rogers D.W., Computational Chemistry Using the PC, 3ed., A John Wiley & Sons, Inc., Publication, 1994, pp.349.

124. Rousselle A.-V., Heymann D., Osteoclastic acidification pathways during bone resorption. Bone , Vol. 30, No 4, pp 533-540, 2002.

125. Sakakura S., Asmus S. M. F., Pezzotti G., Fracture analysis of synthetic vs. natural hydroxyapatite composites by Raman microprobe spectroscopy, J. of Materials Sc. Let. 22, 2003, 139- 141.

126. Sapronova A., Bystrov V., Green M., Ion Channel Gating and Proton Transport // Journal of Molecular Structure. Theochem., 2003, v. 630, p. 297-307.

127. Sapronova A., Bystrov V., Green M., Water, Proton Transfer, and Hydrogen Bonding in Ion Channel Gating. Frontier in Bioscience, 2003. pp. 1356-1370.

128. Shelton RM, Rasmussen AC, Davies J.E., Protein adsorbtion at interface between charged polymer substrata and migrating osteoblasts, Biomaterials 1988, 9, pp24-29.

129. Simons J., Nichols J, Quantum mechanics in chemistry (textbook), Oxford, 1997, pp.711.

130. Suchanek W., Yashimura M., Processing and properties of hydroxyapatite-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants. J.Mater.Res., 1998, 13(1), p. 94-117.

131. Szabo, N. S. Ostlund, "Modern Quantum Chemistry", 1st edition, revised, mcgraw-Hill, New York, 1989; reprinted by Dover, New York 1996.

132. Teti A., Marchisio P.C., Zallone A.Z., Clear zone in osteoclast function: role of podosomes in regulation of bone-resorbing activity. Am. J. Physiol. 1991, 261, Cl-7

133. Tributsch H., Pohlmann L., Synergetic mechanisms in energy and signal transduction: photo oscillating proton transport in bacteriorodopsin, J. Theor. Biol. No. 178, 1996, pp. 17-28.

134. Tsuda H., Arends J., Raman spectroscopy in dental research: a short review of recent studies, Adv Dent Res 11 (4):539-547, 1997.

135. Turner C.H., Pavalko F.M., Mechanotransduction and functional response of the skeleton to physical stress: the mechanisms and mechanics of bone adaptation. J. Orthop. Sci. 3, 1998, 346-355.

136. Ueshima M., Nakamura S., Ohgaki M., Yamashita K., Electrovectorial effect of polarized hydroxyapatite on quasi-epitexial growth at nano-interfaces. Solid State Ionics 151, pp 29-34, 2002.

137. Ueshima M., Nakamura S., Yamashita K. Huge, millicoulomb charge storage in ceramic hydroxyapatite by bimodal electric polarization. Adv. Mater., 2002, 14, No 8, pp.591-595.

138. Valdes J.J., Rodrigues V.A., Carrio G.J. J. Mater. Res., v. 10, 1995, p. 2174.

139. Van Landuyt P., Li F., Keustermans J. P., Streydio J. M., Delannay F., Munting E., The influence of high sintering temperatures on the mechanical properties of hydroxylapatite, J. Mat. Sc., Materials in medicine, 6, 1995, pp. 8-13.

140. Wójcik M.J., Szczeponek K., Boczar M., Theoretical Study of Multidimensional Proton Tunnelling in Benzoic Acid Dimer, Int. J. Mol. Sci. 2003, 4, 422-433.

141. Xilin Y. and M. J. Stott. Biological calcium phosphates and Posner's cluster. J. Chem. Phys. Vol. 118, No 86 pp 3717-3723, 2003.

142. Yamashita K, Kitagaki K., Umegaki T., Kanazawa T., Effects of sintering ambient H2O vapour on the protonic conduction properties of ceramic hydroxyapatite. J. Mater. Sci. Lett., v. 9, 1991, p. 4.

143. Yamashita K., Kitagaki K., Umegaki T,. Thermal instability and proton conductivity of ceramic hydroxyapatite at high temperatures. J. Am. Ceram. Soc. 78(5), pp. 1 191-1197, 1995.

144. Yamashita K., Owada H., Nakagawa H., Umegaki T., Kanazawa T., Trivalent-cation-substituted calcium oxyhydroxyapatite. J. Am. Ceram. Soc., v. 69 8., 1986, p. 590.

145. Yamashita K., Owada H., Umegaki T., Kanazawa T., K. Katayama. Protonic conduction in yttrium-substituted hydroxyapatite ceramics and their applicability to H2-02 fuel cell. Solid State Ionics, v. 40-41, 1990, p. 918.

146. Yeni Y. N., Yerramshetty J., Akkus O., Pechey C., Les C. M., Effect of Fixation and Embedding on Raman Spectroscopic Analysis of Bone Tissue, Calcif Tissue Int, 2006, 78:363 371.

147. Yin J., Green M.E., Intermolecular Proton Transfer between Two Methylamine Molecules with an External Electric Field in the Gas Phase J. Phys. Chem. A 1998, 102, 7181-7190.

148. Yoshikawa H., Myoui A., Bone tissue engineering with porous hydroxyapatite ceramics, J Artif Organs (2005) 8:131-136.

149. Zahn D., Anorg Z., Atomistic mechanism of calcium and phosphate aggregation in aqueous solution, Allg. Chem. 630 (2004) 1507-151 1.

150. Zahn D., Hochrein O., Computational study of interfaces between hydroxyapatite and water, Phys. Chem. Chem. Phys., 2003, 5, 4004-4007.

151. Zahn D., Hochrein O., The role of substitutional defects in order/disorder phenomena of OH- ions in hydroxyapatite, Z.Anorg.Allg.Chem., 2006, 632, 79-83.

152. Zolotaryuk A. V., Peyrard M., Spatschek K. H., Collective proton transport with weak proton-proton coupling, Phys. Rev. E Vol. 62, N 4, 2000, pp5706-5710.

153. Zundel G., Adv. Chem. Phys., v. Ill, 2000, p. 1.1. Список публикаций

154. Быстров B.C., Парамонова Е.В., Компьютерное моделирование механизмов поляризации апатита. // Естественные и технические науки, №2, стр. 81-85, 2008 г.

155. V.S. Bystrov, N.K. Bystrova, E.V.Paramonova, A.L. Kholkin, Polyvinylidene Fluoride Ferroelectric nanocomposite .// Program and Abstract Book of EMF-2007, 3-7 September 2007, Bled, Slovenia. p. 121. - (CD edition).

156. V. Bystrov, N. Bystrova, E. Paramonova. Hydroxyapatite polarization properties.

157. Book of abstracts 3rd Baltic conference of silicate materials, 24-25 May, 2007, Riga, Latvia, pp. 35-37.

158. V. Bystrov, N. Bystrova, E. Paramonova. Hydroxyapatite polyvinylidene fluoride nanocomposite. // Book of abstracts 3rd Baltic conference of silicate materials, 24-25 May, 2007, Riga, Latvia, pp. 53-54.

159. Bystrov V., Paramonova E., Bystrova N., Sapronova A., Filippov S. Computational Molecular Nanostructures and Mechanical Properties of Hydroxyapatite.

160. Abstracts of 3rd Symposium-"Micro—and Nanostructures of-Biological Systems'1-,----—

161. June, 2004. Halle, Germany. - Martin Luther University Halle-Wittenberg, 2004.-p.64-68.

162. V. S. Bystrov , N. К. Bystrova, Е. V. Paramonova, А. V. Sapronova, Computational nanostructures and physical properties of the ultra-thin ferroelectric Langmuir-BIodgctt films.//Ferr. Lett. 2006 V. 33, pp. 1-10.