T-硼氮化物和黑磷纳米片在抗癌药物递送中的应用：计算科学视角

《Journal of Molecular Liquids》：T-boron-nitride and black phosphorus nanoflakes for anticancer drug delivery application: A computational insight

本研究通过密度泛函理论计算，探讨了氢氧化脲和亚硝基脲在四角 boron nitride（T-BN）和黑磷（BP）纳米片上的吸附特性，评估了电子性质、释放动力学及溶剂效应，发现两者可作为生物相容性药物递送系统。

　　这是一项关于抗癌药物羟基脲（HU）和亚硝脲（NU）在二维四边形氮化硼（T-BN）和黑磷（BP）纳米片上的吸附性能与药物递送能力的研究。研究通过密度泛函理论（DFT）计算，评估了这些药物-纳米片复合物在空气和水性环境中的吸附行为、电子特性、释放动力学和溶剂效应。研究结果表明，HU和NU在T-BN和BP纳米片上的吸附能分别为-0.21 eV和-0.26 eV，以及-0.27 eV和-0.22 eV，显示出较弱的物理吸附特性，这种特性对于生物环境下可控的药物释放具有重要意义。其中，NU与BP的结合表现出最低的能量带隙（1.77 eV）和最大的轨道离域化，意味着两者之间的相互作用最强，反应性最高。T-BN与NU结合后，其功函数增加最大（从4.32 eV增加到4.70 eV），表明其对表面性质具有更大的环境影响。BP与NU结合的系统在所有BP纳米片中具有最高的导电性（σ）和传感器响应（S），表明其在药物递送和监测方面具有显著潜力。COSMO表面分析表明，极性和非极性相互作用在药物与纳米片的结合中都扮演了重要角色。药物释放时间中，BP与HU结合表现出最长的释放持续时间（24.60 ns），这是理想药物递送所需的持续释放特性。光学吸收光谱显示，T-BN复合物表现出红移，而BP与HU结合则表现出蓝移，这表明它们在生物医学应用中可能具有良好的光学监测潜力。研究结果表明，T-BN和BP纳米片在抗癌药物递送方面显示出显著的潜力，它们作为生物相容性和响应性系统，具有可调节的释放特性，并且能够通过外部刺激进行控制的治疗方式。

癌症是全球最具威胁性的疾病之一，每年导致超过1000万人死亡。癌细胞的异常增殖是癌症诊断的关键阶段。癌症细胞通过淋巴系统或血管系统扩散到身体不同部位（转移）是其传播的主要方式。近年来，随着对科学知识的深入理解、诊断方法的改进和治疗技术的进步，癌症死亡率有所下降，如激素治疗、放射治疗、化疗、靶向治疗和手术等。其中，化疗是最广泛使用的治疗方式之一。然而，传统化疗存在一些缺点，如对健康组织的不良影响，可能导致脱发、恶心、疲劳、呕吐和虚弱等症状。化疗药物的疗效可能受到细胞穿透性差、循环半衰期短、聚集倾向、不溶性、生物利用度低、器官毒性和靶向性差等问题的影响。为了在目标位置维持药物的治疗浓度，研究人员开发了药物递送系统以提高药物分子的溶解性和化学稳定性。一个有效的药物递送系统是能够选择性地将药物输送到特定细胞类型，从而实现药物的精准释放。

随着全erenes和纳米管等纳米结构的发现，人们开始关注通过药物递送机制进行药物释放的研究。研究人员正在探索使用纳米材料作为药物载体，以减少副作用并提高药物疗效。二维纳米材料因其卓越的电导性、热导性、载流子迁移率和较大的表面积而备受关注。这些纳米结构能够与病变细胞进行特异性相互作用，并直接治疗疾病，从而减少药物对健康组织、器官和细胞的有害影响。此外，它们还能监测药物在目标位置的释放情况。开发新的、高效的药物递送系统以提高化疗效果仍然是当前医学科学的主要目标之一。

六边形氮化硼（BN），也被称为白石墨，与石墨具有相同的sp2杂化和几何结构。BN纳米材料可能比石墨提供更多的优势。BN纳米片在氢储存、催化剂、介电材料、传感器和复合材料等领域有多种应用。许多研究表明，与碳纳米颗粒相比，BN纳米材料表现出更好的生物相容性和更低的毒性。早在2009年，Chen等人就发现BN纳米结构是非毒性的，使其适用于生物医学领域。在他们的研究中，BN纳米管被用作DNA寡聚体的生物载体。四边形氮化硼（T-BN）纳米片是BN纳米片的一种同质异形体。通过DFT计算，Sakib等人研究了T-BN对硫嘌呤类抗癌药物的吸附行为。研究发现，T-BN具有显著的半导体带隙，这可能有助于设计药物递送系统。

黑磷（BP）是一种新型的二维（2D）纳米材料，自2014年重新发现以来，由于其独特的电、光和机械特性，引起了广泛关注。与石墨不同，BP是一种层状半导体，具有可调节的直接带隙，从约0.3 eV（在块体中）到约2.0 eV（在单层磷烯中）。黑磷在实验X射线衍射研究中被报道具有约a=3.31 ?、b=10.47 ?、c=4.37 ?的晶格常数。BP由相互连接的磷原子层组成，这些层通过较弱的范德华力相互作用，可以通过机械或液相技术剥离成少层或单层结构。BP表现出显著的面内各向异性、良好的生物相容性和高表面积，这增强了其在传感和生物医学应用中的潜力。Tariq等人的研究验证了磷烯在氯霉素和硫嘌呤药物递送中的潜力。Cao等人的研究则表明，将光热治疗与化疗结合（DACHPt）可以提高BP纳米片的稳定性和靶向能力，同时增强其抗肿瘤效果。

BP纳米片能够负载大量的药物。它们在体内安全分解为磷酸盐，从而减少副作用。此外，它们在近红外光照射下会升温，这可以在目标位置（如肿瘤）触发药物释放，使其适用于联合治疗和递送。T-BN表现出优异的化学和热稳定性，能够抵抗氧化和降解，在恶劣的生物环境中可能延长保质期并实现持续释放。在结构相关性方面，BP和T-BN都具有被剥离成二维纳米片的共同属性，但它们的原子排列方式存在显著差异。为了识别这些结构对药物递送能力的影响，研究对同一药物在两种纳米片上的相互作用进行了比较分析。

羟基脲（HU）是一种抗代谢物，通过抑制核糖核苷酸还原酶，从而干扰DNA合成，在S期有效阻止癌细胞的生长。亚硝脲（NU）化合物是一类在化疗中使用的烷基化剂，其特点是含有硝基（R-NO）基团和尿素结构。这些脂溶性药物能够穿过血脑屏障，从而对脑肿瘤（如胶质母细胞瘤）进行有效靶向治疗。

这项研究是首次全面利用DFT计算，探讨HU和NU抗癌药物在两种不同的二维纳米片（T-BN和BP）上的吸附、电子特性和释放特性。研究结果建立了一个新的定量框架，将吸附能、电荷转移和光学活性与生物相容性、刺激响应型纳米载体的设计联系起来，从而为计算纳米医学领域提供了重要的新见解。

在计算框架方面，研究使用DFT对几何优化和总能量计算进行了分析。我们设计了BP和T-BN纳米片，尺寸分别为14.39 ? × 10.31 ?和15.359 ? × 10.63 ?。研究通过DFT计算，探讨了HU和NU药物在T-BN和BP纳米片上的吸附特性。我们使用了广义梯度近似（GGA）和Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）功能来处理电子交换-相关的影响。Grimme的修正方法用于解决长程范德华相互作用。为了区分纳米片几何结构与纳米片，我们通过添加氢原子来完成边界原子的价态。我们的模拟使用了非周期性边界条件，类似于之前的研究。

对于所有原子物种，我们使用了Double Numerical plus Polarization（DNP）基组和DFT Semi-core Pseudopotential（DSPP）核心处理，同时始终使用了基组文件3.5。为了提高电子收敛性，我们使用了0.005 Hartree的费米平滑，同时使用了5.0 ?的全局轨道截断半径以提高计算效率。所有计算在中性系统（全局电荷为0）和使用自旋限制条件下进行。为了模拟溶剂效应，我们使用了COSMO（导体类似屏蔽模型），以水为溶剂，其介电常数为78.54。药物分子在纳米片上的吸附能（E_ads）通过以下公式计算：

E_ads = (E_complex + E_pristine) - E_NU/HU

其中，E_complex代表药物分子在纳米片上的吸附总能量，E_pristine和E_NU/HU分别代表纳米片和药物的总能量。

通过计算药物与纳米片的相互作用，我们能够理解其对药物释放的影响。纳米片与药物的结合可能改变其电子结构，从而影响其电子特性。研究还分析了各种全局反应性描述符，如电子化学势（μ）、全局硬度（η）、全局软度（S）和亲电性指数（ω）。这些描述符由前沿轨道能量计算得出。电子化学势表示材料对电子的亲和力，而全局硬度和软度则与材料的稳定性有关。亲电性指数反映了材料与电子富集区域（如癌细胞）的相互作用能力。

COSMO表面分析显示，BP与HU的结合在水性环境中表现出更小的极性分布，这可能影响其在药物递送中的稳定性。而T-BN与HU的结合在水性环境中表现出更高的极性分布，这可能影响其在药物递送中的稳定性。研究还探讨了不同环境条件下的药物释放动力学。药物在纳米片上的结合能、释放时间以及电子特性都可能受到环境因素的影响。例如，在水性环境中，药物与纳米片的结合能降低，可能意味着药物更容易释放，这在生理条件下是一个有利的特性。而在空气中，药物与纳米片的结合能较高，可能意味着药物更稳定地附着在纳米片上，适合于药物的持续负载。

在电子特性方面，我们进行了密度泛函理论（DFT）计算，以了解药物与纳米片的相互作用。药物分子与纳米片的结合可能导致电子状态的改变，从而影响其电子特性。研究还分析了不同药物与纳米片的结合对电子结构的影响。例如，HU与BP的结合可能导致HOMO和LUMO的分布变化，从而影响其电子特性。这些变化可能影响药物的释放动力学，进而影响其在生物医学中的应用效果。

通过COSMO表面分析，我们观察到不同药物与纳米片的相互作用在水性环境中的变化。水性环境中的极性分布可能影响药物与纳米片的结合能和释放时间。此外，研究还分析了不同药物与纳米片的结合对电子特性的影响。例如，HU与T-BN的结合可能导致电子状态的改变，从而影响其电子特性。这些变化可能影响药物的释放动力学，进而影响其在生物医学中的应用效果。

研究还探讨了药物释放过程，这决定了治疗药物在递送材料上的结合时间。药物释放与吸附能之间存在显著的相关性，可以通过阿伦尼乌斯型动力学进行描述。药物的释放时间与吸附能、环境温度以及尝试频率有关。药物在纳米片上的结合可能受到环境因素的影响，如水性环境可能改变药物的释放动力学。因此，研究药物与纳米片的结合对药物释放的影响是至关重要的。

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通过COSMO表面分析，我们还观察到不同药物与纳米片的相互作用对药物释放的影响。水性和空气中的极性分布可能影响药物的释放