下一代纳米载体材料的预筛选：通过密度泛函理论（DFT）揭示硅掺杂的石墨二炔的特性

《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：Next-Generation Nanocarrier Material Prescreening: Unlocking Silicon-Doped Graphdiyne through DFT Insights

硅掺杂石墨烯类似物GDY的密度泛函理论（DFT）研究表明，其结构稳定性和电子特性优化，为神经退行性疾病靶向药物递送提供了理论依据。

　　

R. Mugunthini|B. Anitha|J. Sneha|R.M. Hariharan|K. Iyakutti|D. John Thiruvadigal|K. Janani Sivasankar

计算材料科学与纳米器件模拟实验室，物理与纳米技术系，SRM科学技术学院，Kattankulathur，603 203，印度

摘要

本研究致力于开发一种高效的纳米载体，以实现靶向药物输送。Graphdiyne（GDY）是一种二维碳同素异形体，具有独特的sp–sp²杂化特性，具有高稳定性、可调的电子性质以及多样的功能化特性，非常适合用于药物输送应用。为了提升GDY的性能，我们评估了九种不同的掺杂剂（Si、Ge、Sn、S、O、P、Cu、Ag、Au），其中硅掺杂（位点1）被确定为一种有潜力的纳米载体。我们通过构建和优化其原始单元格，设计了一种硅掺杂的Graphdiyne（Si-GDY）纳米载体。我们进行了密度泛函理论（DFT）计算，以优化单元格结构并确定最稳定的构型。原始系统的直接带隙为0.44 eV。通过形成能（-4992.78 eV）和分子动力学分析，证明了Si-GDY（位点1）的显著稳定性。为了提高溶解度，我们研究了偶极子和吉布斯自由能，分别为7.3584 D和-293.298 kJ/mol。硅掺杂导致碳原子释放了0.87 e的电荷，同时碳原子接受了0.87 e的电荷，使得轨道能隙减小了0.25 eV，这可能直接影响药物结合。此外，我们还利用相对反应性的定性指标揭示了纳米载体的内在物理化学特性，如化学势、全局硬度（0.13 eV）、柔软度（3.875 eV）和亲电性（111.979 eV），这些特性反映了纳米载体的内在反应性。这些发现为未来利用这种精确设计的纳米载体治疗神经退行性疾病提供了理论基础。

部分摘录

引言

纳米技术是21世纪初最重要的探索性研究领域之一，它使科学家能够利用纳米材料的特殊性质[1],[2],[3]。随着纳米技术的发展，人们提出了多种药物输送方法[4],[5]。药物进入生物环境的命运应受到药物靶向系统的控制。

模拟细节

在量子力学模拟领域，我们研究了原始状态和经过修饰的Graphdiyne作为理想纳米载体的潜力。在Atomistic Toolkit（Quantum ATK）平台上，所有计算均采用DFT方法，并结合双zeta极化基组[44],[45]进行。首先对原始状态和掺杂后的Graphdiyne进行了几何优化，直到原子间的作用力收敛到0.01 eV/?。

几何优化与电子性质

本研究通过第一性原理计算（DFT）研究了原始状态和掺杂后的Graphdiyne。为了加深理解，我们首先介绍了Graphdiyne原始单元格的结构几何形态，其中C–C键长为1.40 ?，接近乙炔键的1.20 ?，表明存在典型的三键结构。二维Graphdiyne片层具有两种不同类型的孔隙。

总结

本研究利用密度泛函理论探讨了原始状态和掺杂后的Graphdiyne（GDY）的结构稳定性和兼容性。研究发现，在位点1掺入硅是一种有潜力的选择，其形成能显著为负值，这与Born近似法预测的溶解度和偶极分析结果一致。Sneha等人也报道了通过氨基酸功能化进一步优化了其性能。

结论

通过系统的DFT计算研究了Graphdiyne的生物相容性。原始状态下的Graphdiyne与九种不同的掺杂剂（Si、Ge、Sn、S、O、P、Cu、Ag、Au）在三个不同位点（S-1、S-2、S-3）进行了结合。其中，硅在位点1的掺杂由于其电荷转移效率较高且电子一致性较好而表现出潜在的优势。从物理化学性质来看，负的形成能（-4992.78 eV）和分子特性表明...

作者贡献声明

K. Janani Sivasankar：撰写、审稿与编辑、可视化、验证、项目管理、数据整理、概念构思。D. John Thiruvadigal：验证、项目管理。K. Iyakutti：撰写、审稿与编辑、项目管理、概念构思。R. Mugunthini：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学研究、数据整理。R.M. Hariharan：项目管理、概念构思。J. Sneha：验证、形式分析。

作者协议

所有作者确认，本手稿尚未在其他地方发表，也未被其他期刊接受。最终稿件已得到所有作者的审阅和批准。我们遵循了期刊的指导和出版伦理规范。

利益冲突声明

作者声明没有需要披露的利益冲突。下列署名的作者确认他们与任何组织或实体没有财务利益关联（如酬金、教育资助、演讲机构参与、会员资格、雇佣关系、咨询服务、股票持有或其他股权利益），也没有非财务利益（如个人或职业关系）。

致谢

作者衷心感谢印度政府DST-FIST提供的财政支持（参考编号：SR/FST/PSI-155/2010）。同时，我们也感谢SRMIST的高性能计算集群提供的必要计算资源。此外，作者还特别感谢K.A. Jeeva Vergin Raj、V. Abinaya、K.S. Bharath Shripi Thasan、G. Madhumitha和Rooban对本研究的宝贵支持和贡献。