Hidrojel Oluşumunda Hidrojen Bağlarının Rolünün Anlaşılması: Deneysel ve Moleküler Dinamik Simülasyonlarının Birleşik Bir Çalışması

Abstract

Jelatin bazlı hidrojeller, ayarlanabilir fizikokimyasal özellikleri ve biyouyumlulukları nedeniyle büyük ilgi görmekte ve biyomedikal, endüstriyel uygulamalar için elverişlidirler. Jelleşme kabiliyetleri ve mekanik özellikleri, jelatinin amino asit içeriğine, konsantrasyonuna ve sıcaklık gibi çevresel koşullara bağlıdır. Bu çalışma, konsantrasyon ve sıcaklığın etkisi altında çapraz bağlayıcı içermeyen jelatinin jelleşme davranışını incelemek için deneysel ve moleküler dinamik (MD) simülasyon yaklaşımlarını kapsamaktadır. Hazırlanan jelatin çözeltilerinin karakterizasyonunda, dinamik ışık saçılması, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi, kütle spektrometrisi ve şişme oranı testleri kullanılmıştır. Literatürden alınan peptit sekansı ve domuz derisinden elde edilen gelatinin kütle spektrometre analiziyle belirlenen en yüksek olasılıklı iki peptit dizisi kullanılarak MD simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Konformasyonel parametreler, hidrojen bağı, çözücüye erişilebilir yüzey alanı ve çeşitli derişimler altında şişme davranışı MD analizi ile irdelenmiştir. Bulgular, sıcaklık ve konsantrasyondaki değişikliklerin konformasyonel parametrelerini anlamlı olarak etkilemediğini ortaya koymuştur. Jelatin zincirleri arasındaki hidrojen bağları sayısı sıcaklıkla artarken, suyla olanların azaldığı, ancak her ikisinin de konsantrasyonla arttığı gözlenmiştir. Simülasyon sonuçları düşük sıcaklıkta (jel), yüksek sıcaklıklara (sol) kıyasla daha fazla sayıda hidrojen bağı göstererek jelatinin sıcaklığa duyarlı davranışını ve jelleşme sırasında suyla artan etkileşiminin önemini göstermiştir. Konsantrasyon artışı daha yüksek çözücü yüzeyine erişebilerek, jelatin-su etkileşimlerini artırmıştır. Simülasyon sonuçları deneysel gözlemlerle uyumlu olup, şişme oranlarının jelleşme sıcaklığında, düşük derişimlerde daha yüksek olduğu gösterilmiştir. Deneysel ve hesaplamalı yaklaşımların birleşimi, çapraz bağlayıcı içermeyen jelatin bazlı hidrojellerin hazırlanmasındaki en iyi koşulların ve MS/MS analizi ile amino asit dizilerinin tanımlanmasının yanı sıra, jelleşme davranışına ilişkin değerli bilgiler sağlamıştır.

Gelatin-based hydrogels have gained significant attention due to their tunable physicochemical properties and biocompatibility, making them ideal for biomedical and industrial applications. However, their gelation ability and mechanical properties vary depending on the amino acid content of gelatin, its concentration, and external conditions such as temperature. This study integrated experimental and molecular dynamics (MD) simulation approaches to understand the gelation behavior of crosslinker-free gelatin as a function of concentration and temperature. Characterization of the prepared gelatin solutions was done using dynamic light scattering, Fourier-transform infrared spectroscopy, mass spectrometry (MS), and swelling ratio tests. MD simulations were conducted at various concentrations and temperatures using gelatin sequence; one obtained from a published study and two identified through MS/MS analysis of porcine skin gelatin. The results showed that while temperature and concentration influenced the conformational properties, these changes were not significant. As the temperature rose, hydrogen-bonding between gelatin chains increased, whereas the number of hydrogen-bond formed with the water molecules decreased. However, high concentrations enhanced both types of hydrogen bond formation. At low temperatures (gel), more hydrogen bonds form compared to high temperatures (sol), highlighting gelatin's sensitivity to temperature and its stronger interaction with water during gel formation. Furthermore, increasing the concentration improved the solvent's surface exposure, favoring gelatin-water interactions. Swelling ratios were greater at lower concentrations under gelation conditions, aligning with experimental results. The integration of experimental and computational methods has offered important insights into gelation, along with identifying the conditions including amino acid sequences needed to effectively prepare crosslinker-free gelatin-based hydrogels.