Hyperbranched poly(ethylene imine) (PEI) with its high amino content is a versatile functional polymer that is widely used as a gene delivery vector in biological applications and as a ligand and precursor for ion exchange resins and membranes in water purification and metal recovery. We report here the first fully atomistic model of a 25 kDa hyperbranched PEI macromolecule. We utilized this model to carry out molecular dynamics (MD) simulations with explicit water molecules and chloride ions to study pH-dependent conformational changes. We find that growing the PEI macromolecule sequentially from the monomers yields atomistic structures whose sizes (radius of gyration) are in good agreement with the small angle neutron scattering experiments. Our analysis of the structural properties from MD simulations shows that conformations of the hyperbranched PEI exhibit oblate ellipsoidal elongation at low pH compared to high or neutral pH, but with no significant changes in the corresponding sizes. This fully atomistic model of a 25 kDa hyperbranched PEI macromolecule in water provides much needed detailed atomistic information for advancing our fundamental understanding of the structures and host-guest properties of PEI-based functional reagents and materials for biomedical and sustainability related applications.
하이퍼브랜치 폴리에틸렌이민은 유전자 전달이나 수처리용 이온교환 수지 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 하이퍼브랜치 고분자의 랜덤한 구조 때문에 그 물성에 대한 연구가 제한적이다. 이 논문에서는 널리 사용되는 25k Da 하이퍼브랜치 폴리에틸렌이민의 분자 구조를 원자 수준에서 모델링하는 방법을 처음으로 제안한다. 본 논문은 명시적인 물과 이온 분자 모델을 이용, 분자동역학 시뮬레이션을 수행하여 하이퍼브랜치 폴리에틸렌이민 고분자의 수용액 상태에서의 pH 변화에 따른 구조적 특성을 분석하였다. 본 논문에서는 단량체를 순차적으로 랜덤하게 붙인 폴리에틸렌이민의 고분자 구조가 실험에서 측정된 크기와 일치함을 밝혀 내었다. 또 분자동역학 시뮬레이션 결과 낮은 pH에서 고분자의 구조가 길어지는 것을 발견하였다. 의학과 환경 분야에 널리 사용되는 25 kDa 하이퍼브랜치 폴리에틸렌이민의 원자 수준의 구조 모델을 통해 해당 분야의 발전에 기여할 것으로 예상된다.
