一种耗散粒子动力学力场及具拓扑结构粗粒化模型的构建方法与应用

1.本发明属于高分子自组装技术领域，具体涉及一种耗散粒子动力学力场及具拓扑结构粗粒化模型的自动化构建方法与应用。

背景技术：

2.高分子自组装应用广泛。为探究高分子自组装过程及其结构特征和动力学性质，研究者使用了众多实验技术。但由于高分子自组装行为的尺度在纳米范围，目前的实验技术难以获得自组装体形成和解构过程的详细信息，更无法进一步探究自组装过程的微观动力学过程和微结构的影响。耗散粒子动力学(dpd)模拟已被证明是反映高分子自组装行为和介观尺度下自组装体结构-性质关系的有力工具，可以在一定程度上弥补实验检测技术的不足。例如，dpd模拟已成功用于探究聚合物胶束的形成动力学过程和形貌转变的影响机制。
3.然而，由于dpd模拟的最小单元是由多个原子组成的粗粒化珠子，如何合适地划分高分子粗粒化片段严重地影响了高分子粗粒化模型的性质。同时，dpd模拟只考虑粗粒化珠子间的保守力，保守力则由不同高分子粗粒化片段的排斥力参数所决定。排斥力参数有不同的计算方法，故单一计算方法并不能很好地拟合所有划分片段。人为的计算过程往往也会引入误差。因此，不同工作者在dpd力场参数拟合往往出现较大的偏差，迄今为止尚未有dpd力场参数拟合和自动拟合模拟方法。此外，高分子的特殊拓扑结构往往影响其自组装行为和性质，但目前许多粗粒化模型的研究很少关注高分子粗粒化模型的拓扑结构，使得高分子自组装dpd模拟无法反映出真实的情况。

技术实现要素：

4.为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种简便可靠的耗散粒子动力学力场拟合及具有高分子拓扑结构粗粒化模型构建的模拟方法。
5.本发明方法首先通过粗粒化片段划分方法对高分子进行划分，然后得到相应粗粒化划分片段和具有拓扑结构的高分子。进一步自动拟合出相应的dpd排斥力参数，并依据粗粒化划分片段性质得到相应dpd力场拟合参数。
6.本发明方法可以自动拟合耗散粒子动力学力场参数并实现高分子粗粒化结构拓扑性的拟合，建立一个通用的dpd力场并为高分子自组装dpd模拟的微结构形态转变提供指导。
7.本发明目的通过以下技术方案实现：
8.一种耗散粒子动力学力场拟合及具有高分子拓扑结构粗粒化模型构建方法，包括以下步骤：
9.(1)粗粒化片段的划分和性质辨别：先利用materials studio软件的sketch工具构建出相应高分子结构单元的全原子结构；再将高分子结构单元划分片段，映射得到不同
粗粒化珠子，并根据划分片段的亲疏水性和官能团特性确定为亲水片段、疏水片段或势能片段；
10.(2)dpd力场参数的自动化拟合：将步骤(1)所得划分片段利用perl脚本自动执行以下步骤：
11.i)模型盒子构建；
12.ii)几何优化；
13.iii)退火；
14.iv)短时间弛豫(nvt1)；
15.v)长时间弛豫(npt)；
16.vi)长时间产出(nvt2)；
17.vii)划分片段间相互作用性质：亲水片段和亲水片段间的相互作用力以亲水作用主导，疏水片段和亲水片段或势能片段间的相互作用力以结合能作用主导，势能片段和亲水片段或势能片段间的相互作用力以亲和能作用主导，疏水片段和疏水片段间的相互作用力以亲和能作用主导；
18.viii)自动计算相应力场参数；
19.其中，在dpd力场参数自动拟合过程中，各粗粒化珠子间相互作用力参数根据步骤(1)中划分片段性质而选用特定的排斥力计算公式获得，粗粒化珠子间的相互作用力参数与划分片段间的排斥力参数关系如下：
20.a
ij
＝a
ii
+3.27*χ
ij
21.式中，a
ii
为同种粗粒化珠子之间相的互作用力参数，a
ij
为不同种粗粒化珠子间的相互作用力参数，χ
ij
为不同划分片段间的排斥力作用参数(flory-huggins参数)；不同划分片段间的排斥力作用参数根据划分片段间相互作用的性质主导，使用相应的排斥力作用参数计算公式算得，以亲和能作用、结合能作用、亲水作用主导的排斥力作用参数计算公式依次为：
[0022][0023][0024][0025]
式中，为划分片段分子间的亲和能密度，vr为粗粒化珠子的体积，为划分片段分子相互作用时体积占比，χi、χj则为划分片段分子的水溶解度参数；
[0026]
(3)构建具有高分子拓扑结构的粗粒化模型：先将步骤(1)所得不同粗粒化珠子使用build模块中的repeat unit构建相应的聚合手性和聚合位点后，使用build polymers工具构建具有拓扑结构的全原子模型；再使用coarse grain工具得到相应具有拓扑结构的聚
合物粗粒化模型；
[0027]
其中，步骤(2)与步骤(3)之间不存在先后顺序，可先进行步骤(2)再进行步骤(3)，也可先进行步骤(3)再进行步骤(2)，或者步骤(2)(3)同时进行。
[0028]
优选地，步骤(1)所述高分子结构单元划分片段方法为：在保证官能团完整性的条件下，将高分子结构单元按照3个重原子直链、4个重原子支链、4个重原子直链或2个重原子数刚性结构进行划分片段；其中3个重原子直链、4个重原子支链或4个重原子直链片段映射所得粗粒化珠子的半径所得粗粒化珠子的半径2个重原子数刚性结构片段映射所得粗粒化珠子的半径刚性结构包括高分子端基片段或重映射成多个分子片段组成的环结构。
[0029]
优选地，步骤(1)所述划分片段的分子结构性质辨别方法为：首先判断该分子结构中是否含有特殊官能团如强亲水基团(胺基、羟基)、芳香性官能团(苯环、萘环)、带电官能团(羧基、铵基)等，根据这些官能团确定其亲疏水性质；对于没有特殊官能团的划分片段，根据中国科学院上海有机化学研究所提供的开源在线计算软件xlogp3计算其logp参数以确定亲疏水性质，若不存在强亲水/疏水作用，则统一归类为势能性质类。
[0030]
优选地，在步骤(2)dpd力场参数自动拟合过程中，为保持拓扑结构的完整性和仿真度，将环结构作为整体计算，如苯环、环己烷等。
[0031]
优选地，步骤(2)所述模型盒子构建使用materials studios软件的amorphous cell模块完成；在无环结构划分片段的情况下，各划分片段组分设定为100，水组分设定为300；在含环结构划分片段的情况下，环组分设定为100，其余划分片段组分设定为200，水组分设定为600；为便于模拟快速收敛，模型盒子密度设定为0.8g/cm3。
[0032]
优选地，在步骤(2)dpd力场参数自动拟合过程中，分子动力学模拟过程使用materials studios软件的forcite模块完成，模拟参数如下：模拟温度统一为310k，压强统一为1.01kpa，计算精度统一为ultra-fine；其中，几何优化执行500步；退火模拟执行5个循环，具体以310-500k、berendsen热浴方法执行；短时间nvt弛豫100ps，具体以berendsen热浴方法执行；长时间npt弛豫500ps到达平衡，具体以nose热浴、nose压浴方法执行；长时间nvt弛豫2ns产出能量，具体以nose热浴执行。
[0033]
优选地，步骤(2)所述a
ii
为同种粗粒化珠子之间相的互作用力参数设定25，此时dpd力场参数对于高分子的自组装模拟的拟合程度更优，与实验数据更接近。
[0034]
优选地，步骤(3)在构建具有高分子拓扑结构的粗粒化模型过程中，为保持环结构的刚性，需对粗粒化模型的相应珠子加限制势；使用materials studios软件的modify模块的constraints和restraints来固定键角并将限制势定为5kcal/mol/rad2。
[0035]
上述一种耗散粒子动力学力场拟合及具有高分子拓扑结构粗粒化模型构建方法在具拓扑结构聚合物粗粒化模型的dpd自组装模拟中的应用。
[0036]
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
[0037]
(1)目前尚未发现关于dpd力场拟合的统一模拟方法，亦未发现dpd力场自动拟合的模拟方法，本发明首次提供了一种粗粒化片段划分的dpd力场自动拟合的通用模拟方法，该方法可以方便快捷地自动拟合得到dpd力场参数，同时基本的dpd力场参数可从步骤(2)力场库直接得到，此力场具有领域当前不完善的力场通用性，不同高分子的相同粗粒化片
段可直接使用相应力场参数开展高分子的自组装模拟。
[0038]
(2)本发明提供了一种实现高分子粗粒化结构拓扑性的模拟方法，该方法可用于所有高分子粗粒化结构拓扑性拟合；可用来探究不同高分子自组装过程的微结构变化影响，及聚合物结构不同导致的稳定性影响。高分子原有的空间位阻和特殊拓扑结构极大地影响了高分子自组装过程，此方法保留了高分子原有的拓扑结构。
[0039]
(3)本发明模拟方法计算快速、易实现，计算结果准确，相应的聚合物自组装过程与实验结果相吻合；可以弥补目前dpd力场拟合和高分子拓扑结构缺失的不足，提供了一个通用的dpd力场，并准确地拟合出高分子粗粒化结构的拓扑性，为实验中高分子自组装过程的探究和自组装结构的可控构建提供指导。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例提供的高分子体系[ppma
4-b-popma
4-b-phgma4]的具拓扑结构粗粒化模型的映射示意图；
[0041]
图2为本发明实施例提供的粗粒化力场片段划分方法和具拓扑结构粗粒化模型构建方法的流程图；
[0042]
图3为本发明实施例提供的dpd力场参数的自动化拟合方法流程图；
[0043]
图4为本发明实施例提供的高分子体系[ppma
x-b-popma
y-b-phgmaz]dpd力场参数的自动化拟合过程：高分子体系的粗粒化映射细节(a)、计算划分片段相互作用模型盒子构建(b)、退火模拟过程模型盒子大小变化(c)、长时间npt弛豫密度变化(d)和长时间nvt弛豫能量产出(e)；其中，(b)-(d)示意图以计算映射片段c3h7、c2h4o分子间相互作用力为例；
[0044]
图5为本发明实施例提供的具拓扑结构高分子粗粒化模型[ppma
14-b-popma
10-b-phgma6]基于自动拟合dpd力场的dpd自组装胶束、交联过程、交联胶束受控释放形貌变化示意图(a)、密度分布示意图(b)。为方便观察，水珠子被隐去；
[0045]
图6为本发明实施例提供的不同嵌段比例具拓扑结构高分子粗粒化模型[ppma
x-b-popma
y-b-phgmaz]基于自动拟合dpd力场的dpd自组装交联胶束形貌图(a)、实验数据结果(b)与稳定性评价(c)。
具体实施方式
[0046]
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0047]
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0048]
实施例1
[0049]
(1)本实施例选择以典型甲基丙烯酸酯类三嵌段聚合物[ppma
x-b-popma
y-b-phgmaz]为代表的高分子体系，首先使用materials studio软件的sketch工具构建出高分子重复单元(pma、opma、hgma)的全原子结构。将高分子重复单元划分片段得出相应片段：c3h7、co2、c3h5o、c3h6o、c2h4o、ch4o、c2h2，其中c2h2(苯环)和ch4o(端基)划分片段映射为刚性粗粒化珠子，其原子半径经过特殊官能团识别以及logp的计算，划分片段co2、c2h4o、ch4o为亲水性质，c2h2为疏水性质，其余为势能性能。上述所得划分片段分别映射出相
应的粗粒化珠子，如图4a所示。
[0050]
(2)使用dpd力场参数的自动化拟合方法计算相应dpd力场参数，自动化拟合方法流程过程如图3所示。以计算划分片段c3h7、c2h4o分子间相互作用力为例，dpd力场参数自动化拟合方法自动执行建模模型盒子、几何优化、退火模拟、短时间nvt弛豫、长时间npt弛豫计算密度、长时间nvt弛豫产出能量的分子动力学模拟过程，计算细节：温度统一为310k，压强统一为1.01kpa，计算精度统一为ultra-fine；其中，几何优化执行500步；退火模拟执行5个循环，具体以310-500k、berendsen热浴方法执行；短时间nvt弛豫100ps，具体以berendsen热浴方法执行；长时间npt弛豫500ps到达平衡，具体以nose热浴、nose压浴方法执行；长时间nvt弛豫2ns产出能量，具体以nose热浴执行。相应的退火模拟结果、密度平衡结果及能量产出结果分别如图4b、c、d所示。
[0051]
计算完成后，自动识别划分片段间相互作用性质以使用相应排斥力参数计算公式。划分片段间相互作用性质分为：亲水片段和亲水片段间的相互作用力以亲水作用主导，疏水片段和亲水片段或势能片段间的相互作用力以结合能作用主导，势能片段和亲水片段或势能片段间的相互作用力以亲和能作用主导，疏水片段和疏水片段间的相互作用力以亲和能作用主导；以亲和能作用、结合能作用、亲水作用主导的排斥力作用参数计算公式依次为：
[0052][0053][0054][0055]
式中，χ
ij
为不同划分片段间的排斥力作用参数(flory-huggins参数)，huggins参数)，为划分片段分子间的亲和能密度，vr为粗粒化珠子的体积，为划分片段分子相互作用时体积占比，χi、χj则为划分片段分子的水溶解度参数；
[0056]
最后，粗粒化珠子间的相互作用力参数使用以下公式自动计算得出，
[0057]aij
＝a
ii
+3.27*χ
ij
[0058]
式中，a
ii
为同种粗粒化珠子之间相的互作用力参数，a
ij
为不同种粗粒化珠子间的相互作用力参数。a
ii
设定为25，此时dpd力场参数对于高分子的自组装模拟的拟合程度更优，与实验数据更接近。
[0059]
汇总使用dpd力场参数的自动化拟合方法计算所得的相应dpd力场参数，如下表1所示。其中es、nnh粗粒化珠子为交联剂dtp的划分片段，均不具有环结构，nnh为亲水作用主导型，es为势能主导型。
[0060]
表一dpd力场参数表
[0061][0062]
(3)将步骤(1)所得不同高分子重复单元及其划分片段使用build模块中的repeat unit构建相应的聚合手性和聚合位点后，使用build polymers工具构建具有拓扑结构的全原子模型。然后，使用coarse grain工具将划分片段映射成相应粗粒化珠子得到相应具有拓扑结构的聚合物粗粒化模型。最后，使用materials studios软件的modify模块的constraints和restraints来固定c2h2(苯环)的键角并将限制势定为5kcal/mol/rad2。
[0063]
(4)具拓扑结构聚合物粗粒化模型[ppma
x-b-popma
y-b-phgmaz]的dpd自组装模拟使用materials studio软件的mesocite模块进行，采用自动拟合方法所得dpd力场参数。模型盒子尺寸为，该大小能有效避免周期性边界结构带来的影响。弹性常数c、积分步长δt、耗散力参数γ分别为4.0、0.05、4.5，模拟步数为150,000。模拟后的聚合物胶束自组装结构见图5a，聚合物胶束的密度分布见图5b。
[0064]
在本实例中，基于耗散粒子动力学力场及具拓扑结构粗粒化模型的自动化构建方法成功应用于研究高分子交联胶束自组装过程的微观动力学行为。
[0065]
实施例2
[0066]
为验证具拓扑结构聚合物粗粒化模型及dpd力场参数自动化拟合方法对实验体系的仿真度，按上述实施例1步骤分别构建了九种不同嵌段比例的具拓扑结构聚合物粗粒化模型[ppma
x-b-popma
y-b-phgmaz]及dpd自组装交联胶束模型(图6a)，进一步表征了不同交联胶束的动力学、热力学稳定性(图6b)。结果表明，聚合物hop8[ppma
6-b-popma
10-b-phgma
14
]具有优异的动力学稳定性与热力学稳定性，聚合物hop2具有良好的动力学稳定性，而聚合物hop7具有良好的热力学稳定性。通过atrp聚合法制备相应聚合物，实验表明(图6c)，hop8表现出优异的抗蛋白稳定性，得益于良好的热力学/动力学稳定性，hop7/hop2亦表现出良好的抗蛋白稳定性。因此，具拓扑结构聚合物粗粒化模型及dpd力场参数的自动化拟合方法对研究高分子的dpd自组装过程十分重要，极大地提高了粗粒化模拟的仿真度。
[0067]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种耗散粒子动力学力场拟合及具有高分子拓扑结构粗粒化模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)粗粒化片段的划分和性质辨别：先利用materials studio软件的sketch工具构建出相应高分子结构单元的全原子结构；再将高分子结构单元划分片段，映射得到不同粗粒化珠子，并根据划分片段的亲疏水性和官能团特性确定为亲水片段、疏水片段或势能片段；(2)dpd力场参数的自动化拟合：将步骤(1)所得划分片段利用perl脚本自动执行以下步骤：i)模型盒子构建；ii)几何优化；iii)退火；iv)短时间弛豫；v)长时间弛豫；vi)长时间产出；vii)划分片段间相互作用性质：亲水片段和亲水片段间的相互作用力以亲水作用主导，疏水片段和亲水片段或势能片段间的相互作用力以结合能作用主导，势能片段和亲水片段或势能片段间的相互作用力以亲和能作用主导，疏水片段和疏水片段间的相互作用力以亲和能作用主导；viii)自动计算相应力场参数；其中，在dpd力场参数自动拟合过程中，各粗粒化珠子间相互作用力参数根据步骤(1)中划分片段性质而选用特定的排斥力计算公式获得，粗粒化珠子间的相互作用力参数与划分片段间的排斥力参数关系如下：a
ij
＝a
ii
+3.27*χ
ij
式中，a
ii
为同种粗粒化珠子之间相的互作用力参数，a
ij
为不同种粗粒化珠子间的相互作用力参数，χ
ij
为不同划分片段间的排斥力作用参数(flory-huggins参数)；不同划分片段间的排斥力作用参数根据划分片段间相互作用的性质主导，使用相应的排斥力作用参数计算公式算得，以亲和能作用、结合能作用、亲水作用主导的排斥力作用参数计算公式依次为：为：为：式中，为划分片段分子间的亲和能密度，v
r
为粗粒化珠子的体积，为划分片段分子相互作用时体积占比，χ
i
、v
j
则为划分片段分子的水溶解度参数；
(3)构建具有高分子拓扑结构的粗粒化模型：先将步骤(1)所得不同粗粒化珠子使用build模块中的repeat unit构建相应的聚合手性和聚合位点后，使用build polymers工具构建具有拓扑结构的全原子模型；再使用coarse grain工具得到相应具有拓扑结构的聚合物粗粒化模型；步骤(2)与步骤(3)之间不存在先后顺序。2.根据权利要求1所述一种耗散粒子动力学力场拟合及具有高分子拓扑结构粗粒化模型构建方法，其特征在于，步骤(1)所述高分子结构单元划分片段方法为：在保证官能团完整性的条件下，将高分子结构单元按照3个重原子直链、4个重原子支链、4个重原子直链或2个重原子数刚性结构进行划分片段；其中3个重原子直链、4个重原子支链或4个重原子直链片段映射所得粗粒化珠子的半径2个重原子数刚性结构片段映射所得粗粒化珠子的半径刚性结构包括高分子端基片段或重映射成多个分子片段组成的环结构。3.根据权利要求1所述一种耗散粒子动力学力场拟合及具有高分子拓扑结构粗粒化模型构建方法，其特征在于，步骤(1)所述划分片段的分子结构性质辨别方法为：首先判断该分子结构中是否含有特殊官能团，根据这些官能团确定其亲疏水性质；对于没有特殊官能团的划分片段，根据中国科学院上海有机化学研究所提供的开源在线计算软件xlogp3计算其logp参数以确定亲疏水性质，若不存在强亲水/疏水作用，则统一归类为势能性质类。4.根据权利要求1所述一种耗散粒子动力学力场拟合及具有高分子拓扑结构粗粒化模型构建方法，其特征在于，在步骤(2)dpd力场参数自动拟合过程中，将环结构作为整体计算。5.根据权利要求1所述一种耗散粒子动力学力场拟合及具有高分子拓扑结构粗粒化模型构建方法，其特征在于，步骤(2)所述模型盒子构建使用materials studios软件的amorphous cell模块完成；在无环结构划分片段的情况下，各划分片段组分设定为100，水组分设定为300；在含环结构划分片段的情况下，环组分设定为100，其余划分片段组分设定为200，水组分设定为600；模型盒子密度设定为0.8g/cm3。6.根据权利要求1所述一种耗散粒子动力学力场拟合及具有高分子拓扑结构粗粒化模型构建方法，其特征在于，步骤(3)在构建具有高分子拓扑结构的粗粒化模型过程中，对于环结构映射所得的粗粒化珠子，使用materials studios软件的modify模块的constraints和restraints来固定键角并将限制势定为5kcal/mol/rad2。7.根据权利要求1所述一种耗散粒子动力学力场拟合及具有高分子拓扑结构粗粒化模型构建方法，其特征在于，在步骤(2)dpd力场参数自动拟合过程中，分子动力学模拟过程使用materials studios软件的forcite模块完成，模拟参数如下：模拟温度统一为310k，压强统一为1.01kpa，计算精度统一为ultra-fine；其中，几何优化执行500步；退火模拟执行5个循环，具体以310-500k、berendsen热浴方法执行；短时间nvt弛豫100ps，具体以berendsen热浴方法执行；长时间npt弛豫500ps到达平衡，具体以nose热浴、nose压浴方法执行；长时间nvt弛豫2ns产出能量，具体以nose热浴执行。8.根据权利要求1所述一种耗散粒子动力学力场拟合及具有高分子拓扑结构粗粒化模型构建方法，其特征在于，步骤(2)所述a
ii
为同种粗粒化珠子之间相的互作用力参数设定
25。9.权利要求1～8任一项所述一种耗散粒子动力学力场拟合及具有高分子拓扑结构粗粒化模型构建方法在具拓扑结构聚合物粗粒化模型的dpd自组装模拟中的应用。

技术总结

本发明公开了一种耗散粒子动力学力场及具拓扑结构粗粒化模型的构建方法与应用。本发明方法包括以下步骤：(1)结构单元划分片段、性质辨别及映射成不同粗粒化珠子；(2)选定步骤(1)中相应片段分子结构自动拟合DPD力场参数；(3)构建具有高分子拓扑结构的粗粒化模型。本发明的构建方法，提高了DPD力场的精度、促进了DPD力场的发展，对研究高分子体系在溶液中自组装过程的微结构影响具有重要的指导意义。组装过程的微结构影响具有重要的指导意义。组装过程的微结构影响具有重要的指导意义。