Applications of dissipative particle dynamics on nanostructures: understanding the behaviour of multifunctional gold nanoparticles

Abstract

Una combinación (conjugate) compuesta por una nanopartícula de oro (AuNP), ácido 11-mercaptoundecanoico (MUA) y polietilentioglicol (SH-PEG) fue estudiada por métodos teóricos utilizando simulaciones computacionales con métodos de Dinámica de Partículas Disipativas (DPD), que a su vez usan técnicas de grano grueso (coarse-grained) para reducir las variables del sistema. Los resultados obtenidos reproducen razonablemente bien las observaciones experimentales previas. Las simulaciones se realizaron sobre los componentes aislados, así como sobre pares de componentes y finalmente con los tres componentes al mismo tiempo. Las AuNPs están formadas por perlas independientes y mantienen una forma casi esférica a lo largo de la simulación. En solución acuosa, MUA forma micelas de 4-6 unidades, mientras que SH-PEG se mantiene bien solvatado. Ambas moléculas muestran una tendencia a agregarse en zonas (parches) en la superficie de la AuNP. SH-PEG muestra dos conformaciones distintas, dependiendo de su concentración y de la presencia de otras moléculas en la superficie de las nanopartículas. Cuando se combina a concentraciones de subsaturación, el MUA llega más rápido que el SH-PEG a la superficie de la AuNP y forma parches una vez depositada sobre ella, mientras que el SH-PEG ocupa la superficie libre restante. También se estudió el efecto que ejerce el orden de adición de los diferentes componentes, que altera estos resultados: si se añade SH-PEG sobre una capa parcial de MUA/AuNP ya formada, aquel adopta una conformación radial sobre los parches de MUA formados. Si se añade MUA sobre una capa parcial de SH-PEG/AuNP ya formada, menos SH-PEGs adoptan la conformación radial y los parches de MUA son significativamente más pequeños. Además, los cambios de conformación dependen de la relación SH-PEG/MUA. Para finalizar, se simuló el efecto de la albúmina sérica bovina (BSA) sobre la combinación de AuNP, MUA y SH-PEG, también mediante métodos de DPD, para completar la investigación sobre los cambios conformacionales en las AuNPs. Aparecieron diversas limitaciones, en parte debido a la gran escala de estas simulaciones. Asimismo, se estudió la estabilidad coloidal de las AuNPs en presencia de un número creciente de MUAs que mostró una deformación importante de la AuNP para concentraciones elevadas de MUA, por lo que se desarrolló un modelo de AuNP alternativo y rígido con el objetivo de evitar la deformación causada por la sobresaturación de la superficie de la AuNP provocada por los ligandos.

A gold nanoparticle (AuNP) conjugate formed with 11-mercaptoundecanoic acid (MUA) and thiolated polyethylene glycol (SH-PEG) is simulated using Dissipative Particle Dynamics (DPD) and coarse-grained methods, obtaining a good agreement with previous experimental observations. The simulations cover the isolated components, as well as pairs of components and finally the three components at the same time. The AuNPs are formed by independent units (beads) and keep an almost spherical shape along the simulation. MUA forms micelles of 4-6 MUA units in water while SH-PEG stays well solvated. Both molecules show a tendency to form patches on the AuNP surface. SH-PEG displays two conformations depending on its concentration and presence of other molecules at the nanoparticle surface. When combined at subsaturation concentrations, MUA arrives faster to the AuNP surface than SH-PEG and forms patches once landed while SH-PEG occupies the remaining free surface. The order of addition of the different components alters these results: if SH-PEG is added over an already formed MUA/AuNP partial layer, it adopts a radial conformation over the formed MUA patches; if MUA is added over an already formed SH-PEG/AuNP partial layer, less SH-PEGs adopt radial conformation and MUA patches are significantly smaller. Besides, conformation changes depend on the SH-PEG/MUA ratio. Bovine serum albumin (BSA) is simulated using DPD methods and added to the simulations to complete the investigation of conformational changes on AuNPs. Limitations were encountered due to the large scale of these simulations. The colloidal stability of AuNPs in the presence of increasing number of MUAs is studied. An alternative AuNP design is proposed to overcome the deformation caused by the oversaturation of the ligands.