2-硫尿嘧啶作为抗甲状腺药物的递送载体与功能化BC3单层材料的结合：基于第一性原理的研究

《ACS Omega》：2-Thiouracil Antithyroid Drug Delivery with Functionalized BC3 Monolayers: A First-Principles Study

2-巯基尿嘧啶（ATD）在Si/Al掺杂BC3单层上的化学吸附行为及电子结构分析，基于DFT计算发现O原子与掺杂位点（Si > Al）的强相互作用，其中2T-Oh/Si-BC3吸附能最大（-2.003 eV），且电荷转移显著，表明掺杂BC3单层可作为高效药物递送载体，为甲状腺疾病治疗提供新思路。

　　
该研究系统探讨了2-巯基尿嘧啶（2Thiouracil）在纯净及掺杂的BC3单层材料上的吸附行为，结合密度泛函理论（DFT）计算和电子结构分析，揭示了掺杂类型和药物分子官能团对吸附性能的影响机制。研究通过比较不同掺杂态BC3单层的电子特性、电荷转移分布及吸附能，为甲状腺疾病治疗中的靶向药物递送系统设计提供了理论依据。

在材料体系选择上，BC3单层因其独特的二维六方晶格结构和类石墨烯的电子特性，被证实具有潜在药物载体能力。研究重点考察了硅（Si）和铝（Al）两种等电子掺杂元素对BC3单层吸附性能的调控作用。通过构建2×2超胞模型，分别对纯净BC3、Si-BC3和Al-BC3单层进行系统吸附模拟，发现掺杂显著增强了药物分子的化学吸附强度。

吸附机制分析表明，2Thiouracil分子中活性氧（O）和硫（S）原子分别与掺杂位点形成不同作用模式。在Si-BC3体系中，氧原子与硅掺杂位点形成强化学键，吸附能达-2.003 eV，电荷转移显示氧原子富集电子密度，硅位点产生明显电荷耗散。而铝掺杂时，氧原子与铝形成次优化学吸附，吸附能约为-1.898 eV。这种差异源于Si和Al的3p轨道能级差异：硅的3p轨道能级更接近氧的2p轨道，有利于电子云重叠和键合强度提升。

电子结构计算发现，掺杂改变了BC3单层的带隙特性。纯净BC3带隙为0.648 eV，硅掺杂后带隙缩小至0.124 eV，铝掺杂后为0.166 eV，这表明掺杂元素引入了局域态，增强了与药物分子的电子相互作用。特别值得注意的是，在2T-Oh/Si-BC3构型中，形成了宽达1.830 ?的短键合距离（实际分子间接触距离约1.83 ?），同时观察到能带结构中的特征平坦带，这种结构特征通常与强化学键的形成相关。

电荷密度分析显示，在硅掺杂体系中，药物分子与掺杂位点之间实现了显著电荷转移（约0.004 e/?3）。氧原子作为富电子中心，在吸附过程中从BC3单层获得电子密度，而硅原子则表现出明显的电荷耗散特征。这种电荷再分配不仅验证了化学键的形成，还解释了为何硅掺杂体系具有更强的吸附稳定性。

研究特别关注了分子取向对吸附性能的影响。当2Thiouracil分子以水平构型吸附时，其活性氧与掺杂位点形成更稳定的键合模式。例如，在Si-BC3体系中，水平取向的2T-Oh/Si-BC3构型较垂直取向的2T-O/Si-BC3吸附能提升约15%，这可能与分子平面与晶格的匹配度有关。类似现象也出现在Al-BC3体系中，但吸附强度较硅掺杂体系降低约30%。

对比实验发现，纯净BC3单层仅表现出物理吸附（吸附能-0.559 eV），其分子间作用力主要依赖范德华力和偶极相互作用。而掺杂体系通过引入等电子缺陷，显著增强了化学键合能力。其中，硅掺杂BC3对氧原子的吸附能（-2.003 eV）较铝掺杂体系（-1.898 eV）提升约5%，这可能与硅原子的更小原子半径和更强的p轨道杂化能力有关。

在药物释放动力学方面，研究通过吸附能计算预测了不同体系的稳定性。化学吸附体系（如2T-Oh/Si-BC3）的吸附能负值越大，表明其热力学稳定性越高。计算显示该体系在25℃下的解离能垒高达4.3 kcal/mol，远高于生理条件下的热运动能量（约0.1 eV），这为药物缓释提供了理论支持。而物理吸附体系（如2T-h/BC3）的解离能垒仅为1.2 kcal/mol，难以维持药物在甲状腺组织中的靶向释放。

研究还发现掺杂浓度（3.125%）对吸附性能存在优化效应。当掺杂浓度过高时（>5%），晶格畸变会导致吸附位点能级降低，削弱吸附能力。通过调节掺杂浓度，可使吸附能峰值出现在3.125%浓度附近，这与实验测得的BC3基材料最佳掺杂浓度一致。

未来研究方向建议从三方面深化：首先，构建动态吸附模型以模拟药物在生物环境中的释放过程；其次，开展体外细胞实验验证材料的安全性及药物递送效率；最后，探索pH响应型掺杂策略，使药物在甲状腺组织pH（约7.4）下实现可控释放。该研究为二维材料在靶向药物递送系统中的应用开辟了新方向，特别是为Graves病治疗提供了基于表面工程的新型载体解决方案。