The role of topology and chemical composition of zeolites on their biomedical characteristics

Abstract

7 Abstract Zeolites are traditionally used materials in the petrochemical and chemical industry that have recently drawn attention for their possible utilization in biomedicine as drug and gene carriers, materials in bone tissue engineering, or adsorbents for detoxifying human organisms. Zeolites offer a possible solution for removing protein-binding uremic toxins, such as p-cresol, that are unremovable during classical hemodialysis. This bachelor's thesis focuses on analyzing the motion of water within zeolite with CAN framework topology using molecular dynamics simulations with neural network potentials. The obtained data is used to calculate the self-diffusion coefficients and analyze the effect of water loading, aluminum content, and the distribution of aluminum atoms on water diffusion and degree of deprotonation of Brønsted acid sites (BASs). In addition, the thoroughly tested water-loaded CAN models are used for evaluation of the interaction between the zeolite framework and water molecules and p-cresol in the context of potential application of zeolites for dialysis. Key words zeolites, machine learning, biomedicine, p-cresol, CAN

7 Abstrakt Zeolity jsou tradičně používané materiály v petrochemickém a chemickém průmyslu, které v poslední době přitahují zájem kvůli jejich možnému využití v biomedicíně jako nosiče léčiv a genů, materiály v kostním inženýrství nebo jako adsorbenty pro detoxifikaci lidského organismu. Zeolity nabízí možné řešení při odstraňovaní uremických toxinů vážících se na proteiny, jako je p-kresol, které jsou neodstranitelné během klasické hemodialýzy. Tato bakalářská práce se zaměřuje na analýzu pohybu vody v zeolitu s mřížkovou topologií CAN za použití simulací molekulární dynamiky s potenciály neuronových sítí. Získaná data jsou použita k výpočtu difúzních koeficientů a analýze efektu množství vody, hliníku a distribuce atomů hliníku na difúzi vody a stupeň deprotonizace Brønstedovských kyselých míst (BASs). Navíc, řádně testované vodou naplněné CAN modely jsou použity k zhodnocení interakce mezi mřížkou zeolitu a molekulami vody a p-kresolu v souvislosti s potenciální aplikací zeolitů v dialýze. Klíčová slova zeolity, strojové učení, biomedicína, p-kresol, CAN