Computer Simulation of Solid-Supported Lipid Bilayers: Interfacial Structure and Adhesion Mechanism

• Applicant: Professor Dr. Michael Grunze
• Subject Area: Theoretical Chemistry: Molecules, Materials, Surfaces ; Theoretical Chemistry: Electronic Structure, Dynamics, Simulation
• Term: from 2010 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 174857380

Lipid-Doppelschichten auf festen Substraten (SLB Solid Lipid Bilayers) erlauben eine präzise Kontrolle der Doppelschichten, ohne die Fluidität der Membran nachteilig zu beeinflussen. SBL´s finden Verwendung in der biomedizinischen Forschung, insbesondere in der Pharmazie und als Substrate für chemische und biochemische Sensoren, und als ultradünne dielektrische Schichten. Kritisch für den praktischen Einsatz der Schichten ist deren Adhäsion auf dem Substrat. In der Literatur ist bisher nur eine einzige Publikation zur experimentellen Bestimmung der Adhäsion von SBL und eine zur MDSimulation der Adhäsionsstärke zu finden. In diesem Antrag schlagen wir vor, thermodynamisch fundierte Monte Carlo Computer-Simulationen zur freien Energie der Adhäsion und zu Struktur und Aufbau der Grenzschicht zum Substrat durchzuführen. Die Simulation reproduziert die Geometrie eines Surface Force-Experimentes, in dem die Kraft zwischen der Doppelschicht und dem Substrat in Lösung als Funktion des Abstandes gemessen wird. Die wässrige Phase zwischen der Doppelschicht und dem Substrat wird als ein offenes, aber eingeschränktes System beschrieben, in dem Wasser mit der Umgebung austauschen kann. Die freie Energie der Adhäsion wird durch Integration des Filmdruckes (disjoining pressure) über die Bilayer-Substrat-Separation bestimmt. Der Gesamtdruck wird als Summe aus elektrostatischer-, van der Waals- und sterischer Wechselwirkung ausgedrückt, um den Beitrag der einzelnen diskreten Komponenten zur Gesamtwechselwirkung zu bestimmen und den Mechanismus der Adhäsion beschreiben zu können. Als Substrate werden strukturlose Modelloberflächen, aber auch reale und praktische Substrate wie ωsubstituierte Alkanthiole, Polymere, Oxide und Mineraloberflächen untersucht. Im Hinblick auf den experimentellen Befund von Anderson et al. [Langmuir 25, 6997 (2009)] dass die Wechselwirkung der Doppelschicht stark von der Ionenkonzentration in der Lösung abhängt, planen wir Simulationen mit und ohne Ionen in der Lösung.

• DFG Programme: Research Grants