A web-based tool for the creation of functionalized nanoparticles

Διπλωματική Εργασία uoadl:2917189 10 Αναγνώσεις

Μονάδα:
Κατεύθυνση Πληροφορική στην Ιατρική
Πληροφορική
Ημερομηνία κατάθεσης:
2020-06-24
Έτος εκπόνησης:
2020
Συγγραφέας:
Νάστος Ιωάννης
Στοιχεία επιβλεπόντων καθηγητών:
Κανδαράκης Ιωάννης, Καθηγητής, Μηχανικών Βιοϊατρικής, Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής
Πρωτότυπος Τίτλος:
A web-based tool for the creation of functionalized nanoparticles
Γλώσσες εργασίας:
Αγγλικά
Μεταφρασμένος τίτλος:
Ένα διαδικτυακό εργαλείο για την δημιουργία λειτουργικών νανοσωματιδίων
Περίληψη:
Τα νανοϋλικά έχουν πολλές εφαρμογές σε τομείς όπως η ιατρική, η φυσική, η μηχανική κ.α. και η χρήση τους ποικίλλει, από την αποθήκευση ενέργειας έως τη χρήση σε μπογιές, βιομηχανικούς καταλύτες και τη μεταφορά φαρμάκων. Οι εφαρμογές των νανοδομών αυτών, προϋποθέτουν την ύπαρξη διαφορετικών εξειδικευμένων ιδιοτήτων για καθεμία από τις επιθυμητές τους λειτουργίες. Αυτές οι ιδιότητες μπορούν να επιτευχθούν μέσω της λειτουργικότητας της επιφάνειάς τους με διάφορες χημικές ομάδες και αρχιτεκτονικές. Τα νανοσωματίδια μπορούν να "γίνουν λειτουργικά" μέσω της προσκόλλησης προσδετών στην επιφάνεια τους όπως μικρά μόρια, επιφανειοδραστικά μόρια, δενδρίτες, πολυμερή, βιομόρια κ.λπ.

Αμέτρητοι συνδυασμοί λειτουργικών νανοσωματιδίων μπορούν να κατασκευαστούν όταν συνδεθούν με διαφορετικούς προσδέτες. Για τον έλεγχο των πιο κατάλληλων νανοσωματιδίων για μια επιθυμητή εφαρμογή, θα πρέπει να διεξαχθούν εργαστηριακά πειράματα. Ωστόσο, τα πειράματα μπορεί να είναι αρκετά δαπανηρά, λαμβάνοντας υπόψη διάφορα πειραματικά βήματα, όπως σύνθεση των νανοσωματιδίων, η λειτουργικότητά, ο χαρακτηρισμός , ο ποιοτικός έλεγχος, η διεξαγωγή πειραμάτων κ.λπ. Ένας τρόπος για να ελαχιστοποιηθεί το κόστος και ο χρόνος που απαιτείται για αυτά τα πειράματα, είναι αρχικά να εκτελεστούν με υπολογιστικές προσομοιώσεις, οι οποίες είναι λιγότερο κοστοβόρες και απαιτούν μικρότερο χρόνο διεξαγωγής, ώστε να προβλεφθούν ποια νανοσωματίδια έχουν τις κατάλληλες ιδιότητες, και στη συνέχεια να δοκιμαστούν πειραματικά μόνο τα νανοσωματτίδια, τα οποία προβλέπονται ως τα πιο πολλά υποσχόμενα από τις προσομοιώσεις.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία, περιγράφεται η δημιουργία ενός διαδικτυακού εργαλείου, το οποίο επιτρέπει στους χρήστες να προσδένουν οποιοδήποτε επιθυμητό προσδέτη πάνω σε νανοσωματίδιο της επιλογής τους, δημιουργώντας τελικά λειτουργικά νανοσωματίδια έτοιμα για προσομοίωση. Η λειτουργία αυτού του διαδικτυακού εργαλείου βασίζεται στις παρακάτω περιγραφόμενες διεργασίες. Αρχικά, ο χρήστης εισάγει τις συντεταγμένες του νανοσωματιδίου και του προσδέτη. Ο αλγόριθμος “διαβάζει” τα χημικά στοιχεία που υπάρχουν στο νανοσωματίδιο και στον προσδέτη, τις συντεταγμένες τους καθώς και τους δεσμούς του προσδέτη, και ζητά από τον χρήστη να επιλέξει ποιο στοιχείο του νανοσωματιδίου θα αλληλοεπιδράσει με ποιο στοιχείο του προσδέτη. Για να προσδιοριστούν οι θέσεις των στοιχείων στην επιφάνεια του νανοσωματιδίου, καθώς και το εμβαδόν της επιφάνειας του νανοσωματιδίου χρησιμοποιείται ο αλγόριθμος Concave-hull. Ο προσδέτης στην συνέχεια, περιστρέφεται στον τρισδιάστατο χώρο, και υπολογίζεται η το εμβαδόν του κατά μήκος του κύριου άξονα του. Χρησιμοποιώντας την επιφάνεια του προσδέτη, υπολογίζεται το επιθυμητό grafting density και δίδεται εμφανίζεται στον χρήστη. Στη συνέχεια, ζητείται από τον χρήστη να επιλέξει εάν θα πρέπει να υπάρξει δεσμός μεταξύ του νανοσωματιδίου και των στοιχείων του προσδέτη, και υπολογίζεται η προεπιλεγμένη τιμή δεσμού από τον πίνακα απόστασης των χημικών δεσμών όπου και δίνεται στον χρήστη. Τέλος, προκειμένου να κατασκευαστεί το αρχείο τοπολογίας για προσομοιώσεις μοριακής μηχανικής (Molecular Dynamics), ζητείται από το χρήστη να εισάγει τις ομοιοπολικές και μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις της εμπειρικής συνάρτησης δυναμικής ενέργειας (force field parameters). Μετά την εισαγωγή των παραμέτρων, ο αλγόριθμος κατανείμει, πολλαπλασιάζει και τοποθετεί τους προσδέτες γύρω από την επιφάνεια του νανοσωματιδίου, και εξάγει τρεις μορφές αρχείων του συμπλόκου νανοσωματιδίου- προσδετών: i) αρχείο δομής συμπλόκου με επέκταση pdb ii) αρχείο δομής συμπλόκου με επέκταση gro iii) αρχείο συμπλόκου με επέκταση top κατάλληλο για χρήση με το λογισμικό GROMACS. Ος αλγόριθμος κατασκευάστηκε με την προγραμματιστική γλώσσα Python, ενώ ο web-server, χρησιμοποιώντας τις προγραμματιστικές γλώσσες HTML, PHP, JAVASCRIPT και CSS.

Το εργαλείο προσωρινά, μπορεί να προσπελαστεί και να χρησιμοποιηθεί μέσω της διαδικτυακής διεύθυνσης: http://83.212.106.195/nanofunctioner.html
Κύρια θεματική κατηγορία:
Θετικές Επιστήμες
Λέξεις-κλειδιά:
Νανοϋλικά, προσδέτες, λειτουργικά νανοσωματίδια, Μοριακές Δυναμικές προσομοιώσεις , ανάπτυξη διαδικτυακού εργαλείου
Ευρετήριο:
Ναι
Αρ. σελίδων ευρετηρίου:
7
Εικονογραφημένη:
Ναι
Αρ. βιβλιογραφικών αναφορών:
112
Αριθμός σελίδων:
90

Thesis_Nastos_Ioannis.pdf
3 MB
Δεν επιτρέπεται η πρόσβαση στο αρχείο έως 2020-12-24.