评估用于吡嗪酰胺药物吸附的12C纳米笼结构，并结合密度泛函理论（DFT）分析，以提供药物摄取平台的相关信息

《Journal of the Indian Chemical Society》：Assessing a B 12C 12 nanocage for the pyrazinamide drug adsorption along with DFT insights for providing drug up-take platforms

基于密度泛函理论，本研究系统评估了硼碳纳米笼（BCN）对吡嗪酰胺（PZA）的吸附特性，通过优化计算获得P1-P6六个复合体构型，并利用吸附能、量子理论原子在分子（QTAIM）分析和前线分子轨道（HOMO-LUMO）等指标分析其相互作用机制。结果表明，P1复合体吸附能最强（-57.013 kcal/mol），P6最弱（-30.097 kcal/mol），所有复合体均通过非共价相互作用形成，具有可逆吸附特性，为药物递送和环境清理提供了潜在应用方案。

　　本研究聚焦于一种具有代表性的硼碳十二面体纳米笼（BCN）在吡嗪酰胺（PZA）药物吸附中的应用，通过密度泛函理论（DFT）的计算方法，探讨其作为药物吸附平台的潜力。随着纳米技术的不断发展，纳米材料因其独特的结构和表面特性，被广泛应用于药物传输和环境净化等多个领域。特别是在药物传输方面，纳米材料能够通过吸附作用将药物分子高效地携带至目标位置，而环境净化则依赖于其对污染物的有效捕捉能力。PZA作为一种治疗结核病（TB）的重要药物，其分子结构中含有氮和氧等元素，能够与多种纳米材料形成稳定的复合物，从而为药物传输和环境清除提供新的思路。

研究中采用了DFT计算方法，对BCN纳米笼与PZA分子之间的相互作用进行了深入分析。通过优化计算，获得了单一分子和复合物的稳定几何结构，并进一步评估了它们的能级、结构和电子特性。研究发现，PZA与BCN之间可以形成六种不同的构型（P1至P6），这些构型在吸附能和相互作用细节上表现出显著差异。其中，P1和P6分别代表最强和最弱的吸附复合物，吸附能分别为-57.013 kcal/mol和-30.097 kcal/mol。尽管这些吸附能值较大，但量子理论原子分子（QTAIM）分析表明，这些复合物属于非共价相互作用，因此具有可逆的吸附特性，这在药物传输和环境净化的应用中具有重要意义。

在QTAIM分析中，研究人员对PZA@BCN复合物的相互作用进行了详细探讨。结果显示，除了P2仅涉及一种相互作用（N…B），其他五个构型均包含两种不同的相互作用。P1构型中，PZA分子与BCN纳米笼之间形成了N…B和O…C两种主要相互作用，而P6构型则以O…C和C…C为主。相互作用的距离、电子密度（ρ）、电子密度的拉普拉斯（?2ρ）以及能量密度（H）等参数被用来评估这些相互作用的强度和性质。这些参数的变化不仅反映了PZA与BCN之间的结合情况，还揭示了复合物的电子行为特征。

在电子特性方面，研究还对PZA和BCN的前线分子轨道（HOMO和LUMO）进行了分析。HOMO代表最高占据分子轨道，而LUMO代表最低未占据分子轨道。HOMO-LUMO之间的能量差（即能量间隙，E_Gap）是衡量分子稳定性和反应活性的重要指标。研究发现，PZA和BCN的E_Gap分别为7.855 eV和4.172 eV，而在形成PZA@BCN复合物后，这一能量差显著降低，表明分子之间的电子相互作用增强了。此外，化学势（μ）和化学硬度（η）等参数也被用来进一步描述这些复合物的电子行为。μ反映了分子在电子转移过程中的趋势，而η则表示分子对化学反应的抵抗能力。研究结果显示，P1构型具有最低的化学硬度（1.370 eV），意味着它在化学反应中具有更高的活性，而P6构型的化学硬度较高（1.584 eV），表明其在反应中的稳定性更强。

通过密度态谱（DOS）和HOMO-LUMO分布模式的分析，研究人员还揭示了PZA@BCN复合物在电子结构上的变化。DOS谱图显示了不同分子轨道的能量分布情况，而HOMO-LUMO分布模式则帮助识别了分子之间的相互作用特征。在这些分析中，P1构型表现出最强的电子相互作用，其HOMO和LUMO轨道在BCN部分有明显的分布，而PZA部分则几乎未被占据。这种电子分布的变化不仅有助于理解复合物的形成机制，还为后续的药物传输和环境净化应用提供了理论依据。

研究还强调了BCN作为非金属纳米材料的优势。与传统的碳纳米材料相比，BCN具有更丰富的化学结构和更高的表面活性，使其在吸附PZA分子方面表现出更优异的性能。此外，BCN的异原子组成使其能够提供更多的相互作用位点，从而增强药物吸附的效率和稳定性。这一特性使得BCN成为一种理想的吸附材料，特别是在需要高效药物传输和环境清除的应用中。

在药物传输方面，PZA@BCN复合物的非共价相互作用特性意味着其可以被设计为可逆的吸附系统。这种可逆性使得药物能够被有效地释放到目标位置，同时保留吸附材料的可重复使用性。在环境净化方面，这种可逆性同样重要，因为它允许吸附材料在使用后被回收和再利用，从而降低处理成本和提高效率。因此，PZA@BCN复合物在药物传输和环境净化中的双重应用潜力值得进一步探索。

尽管本研究已经取得了显著成果，但仍然存在一些需要进一步研究的问题。例如，如何在实际应用中提高PZA@BCN复合物的稳定性和选择性，以及如何优化其吸附性能以适应不同的环境条件。此外，还需要进行更多的实验验证，以确保这些计算结果能够在实际应用中得到准确反映。研究团队认为，这些复合物的形成和特性可以通过计算机模拟进一步优化，从而为未来的药物传输和环境净化技术提供坚实的理论基础。

综上所述，本研究通过DFT计算方法，对PZA与BCN纳米笼之间的相互作用进行了系统分析，揭示了其形成不同构型的机制和电子行为特征。研究结果表明，PZA@BCN复合物在药物传输和环境净化方面具有广阔的应用前景，但其实际应用仍需进一步的实验验证和优化。通过深入理解这些复合物的形成过程和电子特性，研究人员可以为开发新型的药物传输和环境净化平台提供重要的理论支持和实践指导。