PBS基共聚物分子结构与降解性能之间对应关系研究及分子模拟

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可生物降解材料具有生物降解性,对环境污染小,使用性能可与传统塑料媲美的特点,因此成为研究热点。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)均聚物具有规整的双螺旋链结构,较高的结晶度,降解性能较差。通过分子设计,研究改性PBS共聚物结构与降解性能之间的对应关系,提高降解性能,控制降解速率,拓展其应用。本研究以物质的量分数为5%,10%,15%和20%的不同碳链长度的脂肪族直链二元醇和二元酸作为改性单体,对PBS均聚物进行改性,合成PBS基共聚物,分别为聚丁二酸丁二醇-co-丙二醇酯(PBS-co-PDO),聚丁二酸丁二醇-co-戊二醇酯(PBS-co-PeD),聚丁二酸丁二醇-co-己二醇酯(PBS-co-HDO),聚丁二酸丁二醇-co-辛二醇酯(PBS-co-ODO),聚丁二酸丁二醇-co-壬二醇酯(PBS-co-NDO),聚丁二酸丁二醇-co-癸二醇酯(PBS-co-DDO)以及聚丁二酸-co-戊二酸丁二醇酯(PBS-co-GA),聚丁二酸-co-己二酸丁二醇酯(PBS-co-AA),聚丁二酸-co-辛二酸丁二醇酯(PBS-co-SbA),聚丁二酸-co-壬二酸丁二醇酯(PBS-co-AzA)。在磷酸缓冲液(KH2PO4-K2HPO4)中,采用南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)对改性共聚物进行酶促降解以研究不同主链结构与降解性能之间的对应关系。采用热分析和X射线衍射等测试方法对改性PBS基共聚物的热稳定性、热力学参数和结晶性能等进行分析测试,通过液相色谱-质谱仪联用(LC-MS)的分析方法对PBS基共聚物的降解体系进行分析以鉴定其降解产物,研究主链上的不同结构对CALB酶识别的影响。结合分子对接模拟和分子动力学模拟(MD)阐释CALB与底物的结合能以及CALB催化过程中氨基酸残基的变化,从酶与聚合物相互识别作用的角度理论地解释PBS基共聚酯的降解差异性。本研究的主要结果如下:(1)在KH2PO4-K2HPO4中,经过5d的CALB降解实验,二元醇改性PBS基共聚物的降解性能主要表现如下:PBS-co-PeD>PBS-co-HDO>PBS-co-NDO>PBS-co-ODO>PBS-co-DDO>PBS-co-PDO>PBS,随着二元醇单体添加比例的增加,共聚物的降解性能逐渐增强,中碳链二元醇改性PBS基共聚物的降解性能优于短、长碳链的降解性能,降解效果最好的为PeD改性的PBS-co-PeD,5d后质量损失率可达85%。(2)二元醇改性PBS基共聚物的MD模拟表明,戊二醇和己二醇改性底物PeDSPeD,HDOSHDO与CALB进行催化反应时,可以使CALB的螺旋连α5上氨基酸Ala146的柔顺性提高,PeD和HDO体系的RMSD分别为7.334?和6.017?,RMSD值越大则底物越容易通过活性通道进入CALB的活性口袋。同时,根据分子对接模拟,PeDSPeD和HDOSHDO具有最低的结合能-19.93 kJ·mol-1和-19.55 kJ·mol-1,其酰基氧原子和His224上氮原子所形成的氢键距离最短,与CALB活性位点结合最紧密牢固,因此共聚物表现最佳的降解性能。(3)在KH2PO4-K2HPO4中,经过5d的CALB降解实验,二元酸改性PBS基共聚物的降解性能如下:PBS-co-GA>PBS-co-AzA>PBS-co-AA>PBS-co-SbA>PBS,整体表现为奇数碳二元酸改性PBS基共聚物的降解性能优于偶数碳二元酸改性的PBS基共聚物,其中PBS-co-GA的质量损失率可达93%。(4)MD模拟中,奇数碳二元酸BGAB-CALB和BAzAB-CALB体系在螺旋连α5处的氨基酸Ala146表现出较高的柔顺性,RMSD值最大,分别为9.565?和7.008?,为底物通过活性通道提供较大空间。底物BGAB和BAzAB与CALB的结合能最低,分别为-22.94 kJ·mol-1和-21.81 kJ·mol-1,表明其与CALB活性位点的结合最为紧密且所需能量最低,因此奇数碳改性共聚物具有优异的降解性能。
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