Coarse-grained simulations of nanometer-sized devices for drug delivery

Abstract

In the present thesis, different aspects of micro- and nanogels are studied with help of coarse-grained simulations, that will allow us to understand their behavior in order to be used as drug transporters. For this purpose, the equilibrium absorption of nanometric cosolutes (which could represent drugs, reactants, small globular proteins and other kind of biomacromolecules) inside neutral hydrogels has been studied. We have explored, for different swelling states, the competition between the steric exclusion induced by the crosslinked polymer network constituting the hydrogel, and the solvent-induced short-range hydrophobic attraction between the polymer chains and the cosolute particle. For this purpose, the cosolute partition coefficient is calculated by means of coarse-grained grand canonical simulations, and the results are compared to theoretical predictions based on the calculation of the excluded and binding volume around the polymer chains. The interplay between hydrophobic adhesion and the steric exclusion leads to different behaviors depending on the hydrophobic attraction or the size of the cosolutes.

En la presente tesis se estudian diferentes aspectos de los micro y nanogeles mediante simulaciones de grano grueso, que permitirán entender su comportamiento para ser utilizados como transportadores de fármacos. Para ello, se ha estudiado la absorción en equilibrio de cosolutos nanométricos (que podrían representar fármacos, reactivos, pequeñas proteínas globulares y otro tipo de biomacromoléculas) dentro de hidrogeles neutros. Hemos explorado, para diferentes estados de hinchamiento, la competencia entre la exclusión estérica inducida por la red polimérica reticulada que constituye el hidrogel, y la atracción hidrofóbica de corto alcance inducida por el disolvente entre las cadenas poliméricas y la partícula de cosoluto. Para ello, se calcula el coeficiente de partición del cosoluto mediante simulaciones, y los resultados se comparan con las predicciones teóricas basadas en el cálculo del volumen excluido y de unión alrededor de las cadenas poliméricas. La interacción entre la adhesión hidrofóbica y la exclusión estérica conduce a diferentes comportamientos dependiendo de la atracción hidrofóbica o del tamaño de los cosolutos.