含可极化水与离子的氧化胺聚两性离子刷Martini模型的开发

《Macromolecules》：Development of an Amine Oxide Polyzwitterion Brush Martini Model with Polarizable Water and Ions

　　

摘要翻译
为了精确模拟蛋白质在聚两性离子刷上的污损过程，必须首先建立能够准确捕捉此类刷的水合性质和链构象的模型。研究人员开发了一种氧化胺聚两性离子(PNOMA)刷的Martini粗粒化(CG)模型，该类材料是一类有前景的抗污材料，该模型通过在可极化水和离子环境中拟合全原子键合与角度分布、单体水合自由能、单体-单体间平均力势(PMF)以及单体-盐径向分布函数(RDFs)而建立。研究人员选择Martini 2.2P以保证与已建立的可极化水和离子模型兼容。为与PNOMA进行比较，研究人员还使用文献中已确立的非键珠型，并通过重新拟合键合和角度势，构建了常规磺基甜菜碱(PSBMA)和磷酸胆碱(PMPC)聚两性离子以及聚阳离子PMETAC的模型。研究人员模拟了每种聚合物刷化学在不同接枝密度和链长下的行为，并将刷高标度关系与实验数据进行了验证。CG模型捕捉了不同聚两性离子化学之间的相对水合强度，外推至更高分子量的刷高与实验椭偏数据一致。研究人员发现，超亲水性PNOMA刷的链溶胀程度介于传统聚两性离子PSBMA/PMPC与聚阳离子PMETAC之间。对于NaCl溶液中的PNOMA刷，模拟的刷高随盐浓度降低，这是由于氧化胺与钠离子之间选择性强的相互作用。

论文解读文章

**研究背景与现存问题**

聚两性离子刷涂层因其在聚合物/水界面形成强耦合水合层而表现出优异的抗污性能，然而其详细机理尚未完全阐明。聚两性离子是同时含有正负电荷的净中性聚合物，与当前抗污涂层金标准聚乙二醇(PEG)相比，其具有更优异的水合性能和化学稳定性，因此在医疗植入物、船体涂层和个人防护装备等领域受到广泛关注。氧化胺聚两性离子由于侧链电荷仅由单键分隔，已成为一类有前景的抗污化学。前期研究已通过全原子(A A)分子动力学(MD)模拟和和频光谱(SFG)实验证实，氧化胺类聚合物具有强水合层和优异的抗盐、抗蛋白性能。然而，若要精确模拟蛋白质在聚两性离子刷上的污损过程，首先需要建立能够准确捕捉刷的水合性质和链构象的粗粒化(CG)模型。目前尚缺乏针对氧化胺聚两性离子刷的CG模型，且已有的Martini模型多采用不同的水模型，导致相互比较和集成困难。此外，Martini 3虽更新，但缺乏成熟的可极化水模型用于带电体系，而其标准（非极化）水模型在重现聚电解质和聚两性离子刷溶胀行为方面也不够准确。

**研究内容与结论**

针对上述问题，研究人员开发了首个（据其所知）用于氧化胺聚两性离子聚(2-(N-氧化物-N,N-二甲基氨基)甲基丙烯酸乙酯)(PNOMA)的粗粒化模型，拟合了新的偶极珠构造。该模型基于Martini 2.2P力场，采用“精炼”可极化水(refPOL)和NaCl离子(refION)模型，以准确捕捉聚两性离子-水的电动力学行为。同时，为比较PNOMA与其它常见聚两性离子和聚电解质的行为，研究人员还开发了聚(2-(N-3-磺丙基-N,N-二甲基铵)甲基丙烯酸乙酯)(PSBMA)、聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)(PMPC)和聚电解质聚(2-(甲基丙烯酰氧基)乙基三甲基氯化铵)(PMETAC)的Martini 2.2P模型。通过在无盐、150 mM和500 mM NaCl条件下比较各聚合物化学的水合性质，评估了模型是否符合预期和实验数据。研究结果表明，CG模型成功捕捉了不同聚两性离子化学的相对水合强度，外推到更高分子量的刷高与实验椭偏数据一致。PNOMA刷的链溶胀程度介于PSBMA/PMPC与PMETAC之间。在NaCl溶液中，由于氧化胺与钠离子之间的选择性强相互作用，PNOMA刷高随盐浓度降低。

**主要技术方法**

本研究主要采用了以下关键技术方法：基于Martini 2.2P力场的粗粒化建模方法，构建了PNOMA、PSBMA、PMPC和PMETAC四种聚合物刷模型；使用CHARMM通用力场和TIP3P水模型进行全原子参考模拟，以获取键合和角度分布等目标数据；采用迭代Boltzmann反演方法拟合粗粒化键合和角度势；利用自由能微扰和伞形采样方法计算单体水合自由能和单体-单体间平均力势(PMF)；通过径向分布函数(RDFs)分析拟合盐相互作用参数。刷模拟采用二氧化硅基底模型，并遵循前期研究建立的退火和平衡协议。PNOMA椭偏实验数据来自研究人员自身的未发表工作，其它实验数据引用自文献。

**研究结果**

**盐-free刷高标度**
研究人员模拟了四种聚合物刷在不同链长（20至150单体）和接枝密度（0.10至0.30链/nm2）下的行为。刷高随链长和接枝密度增加而增加，数据符合中性聚两性离子刷的标度关系h = N(wσg)^1/3。PNOMA刷高介于传统聚两性离子PSBMA/PMPC与聚阳离子PMETAC之间，表明其强水合性。PSBMA模型与实验数据极为吻合，PMPC模型在高分子量下匹配良好，PNOMA模型与椭偏数据高度一致，PMETAC模型在短链长下吻合但在长链长下高估刷高。

**水合性质**
通过比较全原子和粗粒化分辨率下带电珠与水之间的径向分布函数(RDFs)，发现CG模型能合理捕捉不同化学的峰高。按照水合强度递增的顺序为：PSBMA < PMPC < PNOMA，这与全原子模型一致。PNOMA的O^–珠准确捕捉了约0.3 nm处的尖锐水合峰。配位数计算表明，PNOMA刷在考虑的所有接枝密度下每个离子基团的水配位数最高，且在0.15–0.20 nm^–2的接枝密度下存在轻微最大值，表明单体-单体和单体-水相互作用存在最佳平衡。

**盐响应**
研究比较了无盐、150 mM和500 mM NaCl条件下四种刷的行为。PSBMA和PMPC刷高随盐浓度无明显变化，而PNOMA和PMETAC刷高随盐浓度增加而降低，表现出类似聚电解质的响应。PNOMA模型精确重现了O^–/Na⁺强配对和Cl^–离子无法靠近氮原子的特征。PNOMA的聚电解质效应可能源于Na⁺的选择性结合，这与Cl^–无法接近氮原子有关。文献报道PSBMA刷在盐中显著溶胀而PMPC不溶胀，本模型未捕捉到PSBMA的盐致溶胀，可能与模拟中使用单分散聚合物、系统尺寸等因素有关。

**讨论与结论**

讨论部分指出，使用可极化refION模型比经典非极化Martini离子与全原子RDFs的吻合更好。CG模型成功重现了全原子水合趋势和实验刷高，验证了模型的有效性。然而，CG模型未能区分PO₄^–和SO₃^–的水合峰差异，这是Martini 2中两者使用相同Qa珠型的局限。PSBMA刷未表现出盐致溶胀，可能与缺乏多分散性、系统尺寸有限以及聚两性离子/盐相互作用的表示精度有关。研究者计划在后续工作中引入多分散体系以验证这一假设。结论部分强调，本研究提出的Martini 2.2P模型首次将可极化水和离子模型用于胺氧化物聚两性离子刷体系，通过准确捕捉全原子水合趋势和实验相关尺度下的刷构象，这些模型将为抗污材料的理性设计提供预测性研究支持。PNOMA-蛋白质相互作用的参数化将在后续研究中开展，特别是捕捉TMAO已知的蛋白质稳定效应是力场开发领域的一个活跃研究方向。该论文发表在《Macromolecules》。