Mekanisme radiolisis pada acrylic acid interface akibat radiasi gamma pada drug delivery system

ABSTRAK:

Acrylic acid AA merupakan material penyusun yang banyak digunakan sebagai pembawa (carrier) dalam Drug Delivery System (DDS) karena memiliki gugus karboksil (–COOH) yang bersifat bioadhesif dan responsif terhadap pH. Paparan radiasi gamma berpotensi menyebabkan radiolisis yang mengubah struktur dan sifat fungsional material, namun kajian atomistik mengenai mekanisme radiolisis pada skala interface masih terbatas. Penelitian ini bertujuan menganalisis struktur geometri paling stabil, perubahan kerapatan elektron, serta mekanisme radiolisis gugus karboksil pada monomer, dimer, dan trimer acrylic acid interface akibat ionisasi. Analisis dilakukan menggunakan metode Ab Initio Molecular Dynamics (AIMD) yang dikombinasikan dengan Density Functional Theory (DFT) pada tingkat CAM-B3LYP/6-311++G** melalui perangkat lunak ORCA 6.0.0. Hasil optimasi geometri menunjukkan bahwa panjang ikatan C–C berada pada kisaran 1,50–1,51 Å, sedangkan ikatan O–H pada dimer dan trimer mengalami pemanjangan dibandingkan monomer akibat terbentuknya interaksi ikatan hidrogen antargugus karboksil pada daerah interface. Analisis distribusi kerapatan elektron menunjukkan bahwa gugus karboksil merupakan bagian yang paling awal mengalami redistribusi elektron, dengan penyebaran gangguan yang semakin luas seiring meningkatnya tingkat ionisasi dan jumlah rantai polimer. Simulasi AIMD menunjukkan bahwa ikatan C–C lebih rentan mengalami pemutusan dibandingkan ikatan O–H, pemutusan ikatan terjadi pada ionisasi +2 untuk monomer dan dimer, sedangkan pada trimer telah terjadi sejak ionisasi +1, yang menunjukkan bahwa peningkatan kompleksitas struktur meningkatkan kerentanan terhadap ionisasi. Hasil penelitian ini memberikan pemahaman atomistik mengenai mekanisme radiolisis pada acrylic acid interface yang dapat menjadi landasan ilmiah dalam pengembangan DDS berbasis AA yang lebih stabil dan efektif terhadap paparan radiasi gamma.

ABSTRACT:

Acrylic acid (AA) is a widely used constituent material as a carrier in Drug Delivery Systems (DDS) because it possesses carboxyl groups (–COOH) that are bioadhesive and pH-responsive. Exposure to gamma radiation has the potential to cause radiolysis, which alters the structure and functional properties of the material; however, atomistic studies on the mechanism of radiolysis at the interface scale remain limited. This study aims to analyze the most stable geometric structure, changes in electron density, and the mechanism of carboxyl group radiolysis at the acrylic acid interface in monomers, dimers, and trimers resulting from ionization. The analysis was performed using the Ab Initio Molecular Dynamics (AIMD) method combined with Density Functional Theory (DFT) at the CAM-B3LYP/6-311++G** level via ORCA 6.0.0 software. The results of the geometric optimization show that the C–C bond length is in the range of 1.50–1.51 Å, while the O–H bonds in the dimers and trimers are elongated compared to the monomers due to the formation of hydrogen bonding interactions between carboxyl groups in the interface region. Electron density analysis shows that the carboxyl group is the first to undergo electron redistribution, with the disturbance spreading more widely as the degree of ionization and the number of polymer chains increase. AIMD simulations show that C–C bonds are more susceptible to breaking than O–H bonds; bond breaking occurs at +2 ionization for monomers and dimers, whereas for trimers it occurs as early as +1 ionization, indicating that increased structural complexity enhances susceptibility to ionization. The results of this study provide an atomistic understanding of the radiolysis mechanism at the acrylic acid interface, which can serve as a scientific foundation for the development of AA-based DDS that is more stable and effective against gamma radiation exposure

مستخلص البحث:

محض األكريليكAAكحامل يف نظام توصيل الدواء كثريًا هو مادة رئيسية تُستخدم)DDS(كسيلألنه حيتوي على جمموعة الكربو )–COOH(اليت تتميز اباللتصاق احليوي واالستجابة لتغري الرقم اهليدروجيين. التعرض لإلشعاع الغاما قد يؤدي إىل التحلل اإلشعاعي الذي يغري من البنية واخلصائص الوظيفية للمادة، ومع ذلك الدراسات الذرية حول آلية التحلل اإلشعاعي على مستوى الواجهة ما زالت حمدودة. تدف هذه الدركسيل يف األحادكذلك آلية التحلل اإلشعاعي جملموعة الكربواسة إىل حتليل أكثر البىن اهلندسية استقرارًا، وتغري كثافة اإللكرتوانت، وي والثنائي والثالثي حلمض األكريليك على الواجهة نتيجة التأين. مت إجراء التحليل ابستخدام طريقة الديناميكا اجلزيئية من املنطلق األول)AIMD( ابالشرتاك مع نظرية الكثافة الوظيفية)DFT(على مستوىCAM-B3LYP/6-311++G**ابستخدام برانمجORCA6.0.0. أظهرت نتائج حتسني اهلندسة أن طول رابطةC–Cيرتاوح بني1.50–1.51Å، بينما ترتفع روابطO–Hيف الدمير والرتامر مقارنة ابملونومر كسيل عند املنطقة الفاصلة. ويشري حتليل توزيع كثافة اإللكرتون إىل أنبسبب تكوّن تفاعالت الروابط اهليدروجينية بني جمموعات الكربوجمموعة كسيل هي اجلزء الذي مير إبعادة توزيع اإللكرتوانت أوالً، مع انتشار التشويش بشكل أوسعالكربوكلما زادت مستوايت التأين وعدد سالسل البوليمر. وتوضح حماكاةAIMDأن الروابطC–Cأكثر عرضة لالنكسار مقارنة بروابطO–Hكسر الروابط عند التأين + ؛ حيث حيدث2 للمونومر والدمير، بينما يظهر يف الرتامر منذ التأين +1، ما يشري إىل أن زايدة تعقيد البنية تزيد من القابلية للتأين.ًتقدم نتائج هذا البحث فهما ذراي ً حول آلية التحلل اإلشعاعي عند واجهة محض األكريليك، والذي ميكن أن يكون أساسا ً علميا ً لتطوير نظم توصيل الدواء القائمة علىمحض األكريليك وأكثر استقرارا ً وفعالية ضد التعرض لإلشعاع غاما