First principles characterisation of bio–nano interface

文献情報

出版日 2021-06-10
DOI 10.1039/D1CP01116B
インパクトファクター 3.676
著者

Ian Rouse, David Power, Erik G. Brandt, Matthew Schneemilch, Konstantinos Kotsis, Nick Quirke, Alexander P. Lyubartsev, Vladimir Lobaskin


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要旨

Nanomaterials possess a wide range of potential applications due to their novel properties and exceptionally high activity as a result of their large surface to volume ratios compared to bulk matter. The active surface may present both advantage and risk when the nanomaterials interact with living organisms. As the overall biological impact of nanomaterials is triggered and mediated by interactions at the bio–nano interface, an ability to predict those from the atomistic descriptors, especially before the material is produced, can present enormous advantage for the development of nanotechnology. Fast screening of nanomaterials and their variations for specific biological effects can be enabled using computational materials modelling. The challenge lies in the range of scales that needs to be crossed from the material-specific atomistic representation to the relevant length scales covering typical biomolecules (proteins and lipids). In this work, we present a systematic multiscale approach that allows one to evaluate crucial interactions at the bionano interface from the first principles without any prior information about the material and thus establish links between the details of the nanomaterials structure to protein–nanoparticle interactions. As an example, an advanced computational characterization of titanium dioxide nanoparticles (6 different surfaces of rutile and anatase polymorphs) has been performed. We computed characteristics of the titanium dioxide interface with water using density functional theory for electronic density, used these parameters to derive an atomistic force field, and calculated adsorption energies for essential biomolecules on the surface of titania nanoparticles via direct atomistic simulations and coarse-grained molecular dynamics. Hydration energies, as well as adsorption energies for a set of 40 blood proteins are reported.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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