Hlavním cílem navrhovaného projektu je studium konformace a charakterizace vlivu hydratace na konformaci a konformační dynamiku peptidů a polypetidů, které jsou součástí syntetických kopolymerů určených pro medicinální aplikace. Zvýšená pozornost bude věnována lokalizaci a charakterizaci molekul vody v blízkosti polymerního řetězce a posouzení celkových změn ve velikosti polymerních domén a morfologii těchto kopolymerních systémů. Bude zkoumána závislost těchto parametrů na primární struktuře (sekvenci aminokyselin) a molární hmotnosti obou polymerních složek. Pro systematické studium interakce hydrofobních a hydrofilních peptidů s vodou bude použita řada krátkých modelových sekvencí (oligopeptidů), jež budou plně izotopicky obohaceny 13C a 15N. Hlavní technikou užitou k těmto studiím bude NMR spektroskopie vysokého rozlišení (operační frekvence 1H je 600 MHz). Naše pilotní práce v této oblasti byla publikována již v roce 2007 (Pechar M, Brus J, Kostka L, et al. Thermoresponsive self-assembly of short elastin-like polypentapeptides and their poly(ethylene glycol) derivatives, MACROMOLECULAR BIOSCIENCE 7 (1): 56-69 JAN 5 (2007)).

   Nová generace aktivních farmaceutických materiálů (APM) je založena na kombinaci aktivní farmaceutické ingredience (API), která je zabudována do vhodně zvolené polymerní matrice. Tak vznikají tuhé roztoky či tuhé disperze, jejichž chování, jako je např. biologická dostupnost nebo stabilita, silně závisí na distribuci a velikosti dispergovaných částic, rozsahu interakce mezi polymerní matricí a léčivem, krystalinitě dispergovaného léčiva a v neposlední řadě i segmentové dynamice polymerních řetězců. Cílem a náplní doktorského studia bude charakterizovat tyto systémy především pomocí NMR spektroskopie pevného stavu. Vyvinout a aplikovat nové techniky popisu segmentové dynamiky, co nejlépe popsat míru interakce mezi jednotlivými složkami a především nalézt vztahy mezi segmentovou dynamikou polymerní matrice, stabilitou vzniklého tuhého roztoku či disperze a výslednou biologickou aktivitou. K charakterizaci těchto systémů budou dále použity termické metody jako je DSC, rozptylové metody jako je PXRD nebo WAXS či SAXS a mechanické nebo dielektrické zkoušky.

   Podstatou této práce bude příprava a především strukturní charakterizace geopolymerních systémů, které vedle anorganické matrice, jež představuje amorfní nebo částečně uspořádaný stav hmoty příbuzný zeolitům, obsahují také organickou polymerní složku. Uvažujeme i o zabudování fosforečnanových jednotek.Tímto způsobem hodláme připravit novou generaci geopolymerních systémů, které budou stále vykazovat vysokou pevnost, stabilitu a odolnost vysokým teplotám, ale zároveň budou mít podstatně sníženou hmotnost, vyšší houževnatost a pružnost. Cílem této práce je nalézt molekulární podstatu těchto makroskopických vlastností a nalézt takové zákonitosti, které umožní cílenou přípravu těchto materiálů se zcela přesně definovanými vlastnostmi pro různé obory průmyslové činnosti. Pro hledání těchto zákonitostí bude samozřejmě a extenzivně používána NMR spektroskopie pevného stavu. Především jednodimenzionální ¹ H, ²³ Na, ²⁷ Al, ³¹ P a ²⁹ Si MAS NMR, ale také pokročilé dvou-dimezionální techniky využívající dvojitého přenosu polarizace (double-CP, ²⁷ Al- ²⁹ Si), rotor-synchronizovaného přenosu polarizace REDOR a v neposlední řadě více-kvantové NMR spektroskopie. Upřímně řečeno, máme také značné pochybnosti o velmi zjednodušujících tvrzeních, které se nedávno objevily v tisku, v nichž se tvrdí, že egyptské pyramidy byly postaveny právě z geopolymerů a nikoli z kamenných bloků. Pro tento výklad zatím chybí jasné vědecké důkazy a dle našeho soudu se jedná o pouhé spekulace a ničím nepodložené hypotézy. Přestože lze geopolymerní systémy považovat za materiály s velkým konstrukčním potenciálem, je nutné tyto systémy co nejlépe poznat a případně i odhalit jejich slabiny. Domníváme se, že čím více budeme o tomto materiálu vědět, tím méně kontroverzí a někdy až naivních očekávání bude vyvolávat. I toto je jednou z otázek, které je možné během studia řešit.

   Nosným motivem této práce je využití NMR spektroskopie pevného stavu pro identifikaci a strukturní analýzu farmaceuticky aktivních látek. Jde o studium polymorfie, solvatomorfie, rozlišení a identifikaci stechiometrických a nestechiometrických hydrátů, charakterizaci vodíkových vazeb. Integrální součástí projektu je porovnávání získaných NMR dat s práškovou rtg. difrakcí a případně i s rtg. difrakcí na monokrystalech. Tato práce je tedy cílena pro úzkou spolupráci s Ústavem chemie pevných látek při Vysoké škole chemicko-technologické v Praze. Ačkoli NMR spektroskopie pevného stavu není alternativní metodou difrakčních technik při určování úplné třídimenzionální struktury a uspořádání molekul v krystalických materiálech, poskytuje tato metoda významné krystalografické informace. Díky tomu se také stala významnou součástí charakterizace farmaceuticky aktivních substancí a od roku 1997 je doporučována i hlavním regulátorem trhu - FDA (Food and Drug Administration) a moderní farmaceutická společnosti jsou NMR spektrometry pevného stavu běžně vybaveny pro kontrolu kvality výroby a produktů. Jedním z podstatných cílů této práce je nalézt na molekulární úrovni vztahy mezi biologickou aktivitou a termodynamickou stabilitou dané substance a její krystalovou strukturou a segmentovou pohyblivostí. Bylo by naivní si představovat, že funkční skupiny a atomy jsou v krystalech nehybné. Opak je pravdou vše je pohybu.

   New generation of active pharmaceutical materials (APM) is based on a combination of pharmaceutical ingredients (API) and polymers forming thus solid solution or solid dispersions. Behavior of these systems: stability, pharmacokinetic activity etc. depends on the distribution of the drug within the polymer matrix, size of domains, crystallinity and segmental dynamics of polymer chains. The aim of the proposed project is development and application of the advanced solid-state NMR techniques for selective measurements of motional amplitudes and frequencies of polymer segments in order to disclose some relations between structure, molecular dynamics and stability and activity of these systems