Самоорганизация амфифильных молекул в водном растворе - хорошо известный эффект, наблюдаемый во всех живых организмах. Варьирование архитектуры и химической структуры гидрофобной и гидрофильной частей приводит к образованию большого количества агрегатов различных размеров и морфологий. Дендромицеллы, образованные гибридными молекулами, содержащими гидрофильный дендронный и гидрофобные линейные блоки, являются прекрасными кандидатами для применения в качестве носителей лекарств и генов [1-4]. Для применения в биомедицине дендромицеллы должны обладать низкой токсичностью и высокой биосовместимостью. Этому требованию отвечают пептидные, и, в частности, лизиновые дендроны [5-7]. В данной работе с помощью численного метода самосогласованного поля были исследованы сферические мицеллы на основе линейно-дендритных амфифильных блок-сополимеров с несколькими линейными гидрофобными хвостами.

Сначала были определены границы между различными морфологиями мицелл, используя зависимости большого термодинамического потенциала и химического потенциала от агрегационного числа. Следующим шагом был выбор наиболее вероятной морфологии мицеллы, которая соответствует наименьшему значению химического потенциала молекулы ПАВ. При малых значениях длин хвостов наиболее предпочтительной является сферическая морфология, с ростом длины хвоста происходит переход к цилиндрической морфологии и только при больших значениях длин хвостов доминирует ламеллярная морфология. Также была изучена внутренняя структура сферических мицелл и то, как она зависит от структуры гибридных молекул. Было получено, что разбиение одного гидрофобного хвоста на несколько приводит к уменьшению агрегационного числа и радиуса ядра. Напоследок были рассмотрены электростатические характеристики мицелл, образованных гибридными молекулами с заряженными лизиновыми головками и гидрофобными хвостами. Максимумы кривых радиального распределения электростатического потенциала смещаются к ядру с увеличением числа поколения мицелл, что отражает уменьшение агрегационного числа. Рост числа хвостов при заданном количестве гидрофобных сегментов в ПАВ приводит к увеличению относительного эффективного заряда и уменьшению дзета-потенциала. Дендроны в короне мицеллы, как и их заряды, делятся на две группы: первая находится вблизи ядра, а вторая - вблизи поверхности мицеллы. Поскольку ширина промежуточной области довольно велика, биологически активные молекулы могут проникать в эту область. Последний результат представляет потенциальный интерес для использования изученных сферических дендромицелл в качестве наноконтейнеров для доставки лекарств.

Работа была поддержана грантом РФФИ 20-53-12036.

1. Frechet, M., Tomalia, D. Dendrimers and Other Dendritic Polymer, Wiley: Hoboken, NJ, USA, 2001, p. 647.

2. Cheng, Y., Tomalia, D. Dendrimer-Based Drug Delivery Systems: From Theory to Practice, Wiley: Hoboken, NJ, USA, 2012, p. 542.

Shavykin O.V. , Leermakers F.A.M., Neelov I.M., Darinskii A.A., Self-assembly of lysine-based dendritic surfactants modeled by the self-consistent field approach, Langmuir, 2018 34(4), 1613-1626.

4. Narain, R. Polymers and Nanomaterials for Gene Therapy, Woodhead Publishing: Cambridge, UK, 2016, p. 279.

5.Sheveleva N.N., Markelov D.A., Vovk M.A., Mikhailova M.E, Tarasenko I.I., Neelov I.M. Lysine-based dendrimer with double arginine residues, RSC advances, 2019, 9(31),18018-18026

6.Sheveleva N.N., Markelov D.A., Vovk M.A.,Tarasenko I.I.,Mikhailova M.E, Neelov IM Stable deuterium labeling of histidine-rich lysine-based dendrimers, Molecules, 2019, 24(13), 2481

7.Okrugin B., Ilyash M., Markelov D., Neelov I., Lysine dendrigraft nanocontainers. influence of topology on their size and internal structure, Pharmaceutics, 2018, 10(3), 129

Amphiphilic molecules in aqueous solutions self-organize, which is a well-known phenomenon seen in all living things. The design and chemical composition of the hydrophobic and hydrophilic components may be changed to produce a wide range of aggregates with various sizes and morphologies. Excellent prospects for drug and gene carriers are dendromicelles, which are generated by hybrid molecules, including hydrophilic dendrons and hydrophobic linear units [1-4]. Dendromicelles must have good biocompatibility and minimal toxicity for use in biological applications. Peptides and, in particular, lysine dendrons [5-7] fulfill this criterion. The numerical self-consistent field approach was used in this study to examine spherical micelles made of linear dendritic amphiphilic block copolymers with a number of linear hydrophobic tails.

First, the boundaries between different micelle morphologies were determined using the dependencies of the large thermodynamic potential and chemical potential on the aggregation number. The next stage was to choose the most likely micelle shape that matched the surfactant molecule's chemical potential at its lowest value. Spherical morphology predominates at short tail length values; as tail length increases, a shift to cylindrical morphology occurs; lamellar morphology only predominates at long tail length values. Additionally, the internal structure of the spherical micelles and how it relates to the hybrid molecules' structure were investigated. It was discovered that dividing a single hydrophobic tail into multiple causes the number of aggregations and the core radius to decrease. Finally, we looked at the electrostatic properties of micelles generated by hybrid molecules with charged lysine heads and hydrophobic tails. With more micelle generations, the maxima of the electrostatic potential radial distribution curves move closer to the nucleus, showing a reduction in the number of aggregations. The relative effective charge rises, and the zeta potential falls as the number of tails for a given number of hydrophobic segments in the surfactant increases. Two sets of dendrons and their associated charges make up the micelle's corona: one is located close to the micelle's core, while the other is close to its surface. Due to the intermediate region's wide breadth, molecules with biological activity can enter there. The latter finding may be relevant if the investigated spherical dendromicells are used as nanocontainers for medication delivery.

This work was supported by RFBR grant 20-53-12036

1. Frechet, M., Tomalia, D. Dendrimers and Other Dendritic Polymer, Wiley: Hoboken, NJ, USA, 2001, p. 647.

2. Cheng, Y., Tomalia, D. Dendrimer-Based Drug Delivery Systems: From Theory to Practice, Wiley: Hoboken, NJ, USA, 2012, p. 542.

Shavykin O.V. , Leermakers F.A.M., Neelov I.M., Darinskii A.A., Self-assembly of lysine-based dendritic surfactants modeled by the self-consistent field approach, Langmuir, 2018 34(4), 1613-1626.

4. Narain, R. Polymers and Nanomaterials for Gene Therapy, Woodhead Publishing: Cambridge, UK, 2016, p. 279.

5.Sheveleva N.N., Markelov D.A., Vovk M.A., Mikhailova M.E, Tarasenko I.I., Neelov I.M. Lysine-based dendrimer with double arginine residues, RSC advances, 2019, 9(31),18018-18026

6.Sheveleva N.N., Markelov D.A., Vovk M.A.,Tarasenko I.I.,Mikhailova M.E, Neelov IM Stable deuterium labeling of histidine-rich lysine-based dendrimers, Molecules, 2019, 24(13), 2481

7.Okrugin B., Ilyash M., Markelov D., Neelov I., Lysine dendrigraft nanocontainers. influence of topology on their size and internal structure, Pharmaceutics, 2018, 10(3), 129