[논문 리뷰] Ab initio Investigation of Adsorption Characteristics of Bisphosphonates on Hydroxyapatite (001) Surface

Mun-Hyok Ri, Yong-Man Jang외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 26.

Bone health and treatments참고 문헌 29인용 수 3

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 밀도 함수 이론을 사용하여 히드록시apatite (001) 표면에 대한 일곱 가지 이비스포네이트(BP)의 흡착을 조사한다. 이 연구는 파미드론산이 가장 높은 흡착 에너지를 보이며 (-3.33 eV), 이어 알렌드론산 (-3.21 eV) 이어서, 강한 수소결합과 질소 및 수산기에서의 전자 기증으로 인해 나타나며, 결과는 실험적 친화도 순위와 일치하며, 흡착 에너지가 뼈 괴사에 대한 BP 결합 친화도의 핵심 결정 요소임을 확인한다.

ABSTRACT

The structures of some bisphosphonates (clodronate, etidronate, pamidronate, alendronate, risedronate, zoledronate, minodronate) were obtained and analyzed, and their adsorption energies onto hydroxyapatite (001) surface were compared to find out ranking order of binding affinity, which shows that the adsorption energy is the largest for pamidronate, followed by alendronate, zoledronate, clodronate, ibandronate, the lowest for minodronate and etidronate.

연구 동기 및 목표

• 뼈의 주요 광물인 하이드록시apatite(HAP)에 대한 핵심 이비스포네이트(BP)의 상대적 결합 친화도를 규명하기 위해.
• HAP(001) 표면에서 BP 흡착을 지배하는 원자 척도의 메커니즘, 즉 전자적 및 기하학적 요인을 밝혀내기 위해.
• 계산된 흡착 에너지를 실험적 결합 친화도 순위와 연계하여 계산 모델의 타당성을 검증하기 위해.
• BP-HAP 복합체의 안정성을 높이는 전하 이동 및 오비탈 상호작용(HOMO-LUMO)을 분석하기 위해.

제안 방법

• 일반화된 기울기 근사(GGA)와 PBE 함수를 사용한 첫 번째 원리 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• Ca-종결 표면에 흡착된 BP를 포함하는 HAP(001) 표면의 주기적 슬립 모델을 구축하였다.
• 흡착 에너지는 E_ads = E_{BP+HAP} - (E_{BP} + E_{HAP})로 계산하였으며, 에너지 수렴 기준은 10^{-6} eV이었다.
• Hirshfeld 전하 분석을 통해 흡착 시 전하 재분포를 분석하여 전자 기증과 표면 안정화 정도를 평가하였다.
• 분자의 오비탈 분석(HOMO 및 LUMO)을 통해 -OH 및 -NH2와 같은 기능기의 전자 기여자/수용자 역할을 규명하였다.
• 흡착 기하구조를 최적화하고, BP의 -OH와 HAP 표면 산소 원자 간의 수소결합을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HAP(001) 표면에서 이비스포네이트의 상대적 흡착 에너지 순서는 무엇이며, 실험적 순위와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 기능기(예: -OH, -NH2, 이소환성 질소)가 BP-HAP 복합체의 전자적 및 기하학적 구조에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 BP의 수산기와 HAP 표면 산소 원자 간의 수소결합이 흡착 안정성에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ4 Hirshfeld 분 析로 측정된 전하 이동이 BP-HAP 인터페이스의 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 HOMO-LUMO 상호작용이 질소 함유 BP의 향상된 결합 친화도를 어느 정도 설명하는가?

주요 결과

• 파미드론산은 가장 높은 흡착 에너지를 보이며 (-3.33 eV), 이어 알렌드론산 (-3.21 eV), 조레드론산 (-2.92 eV), 클로드론산 (-2.35 eV), 이밴드론산 (-2.31 eV), 리세드론산 (-2.25 eV), 미노드론산 (-2.17 eV), 에티드론산 (-2.17 eV) 이었다.
• 계산된 흡착 에너지 순위는 NMR, FPLC 및 경쟁 결합 분석에서의 실험적 친화도 순서와 매우 유사하여 계산 모델의 타당성을 입증하였다.
• BP의 수산기와 HAP 표면 산소 원자 간의 수소결합이 흡착 기하구조에서 핵심적인 안정화 상호작용으로 작용한다.
• Hirshfeld 전하 분석 결과, 흡착 과정에서 전하 재분포가 발생하여 표면 전하 분포가 고체 결정의 그것으로 향하는 방향으로 이동함으로써 HAP 표면가 안정화됨을 확인하였다.
• 질소 함유 BP(예: 파미드론산, 알렌드론산)의 질소 원자는 HOMO-LUMO 분석 결과, 흡착 중 전자 기여자 역할을 한다.
• P–C–P 배경 구조는 R2 기능기의 변화에 민감하며, 질소 함유 R2 기능기가 결합 친화도를 크게 향상시킨다.