一种源自蛋壳的碳酸钙（CaCO3）多孔碳基纳米复合材料，用于癌症治疗

《RSC Sustainability》：An eggshell-derived CaCO3 porous carbon-based nanocomposite for cancer therapy

药物递送系统;蛋壳碳酸钙纳米颗粒;pH响应释放;微环境调控;癌细胞凋亡;绿色化学;生物相容性;精准医疗;循环经济

　　
癌症治疗面临多重挑战，包括靶向性不足、系统性毒性和药物释放效率低下。针对这些问题，研究者提出了一种基于废弃蛋壳的环保型药物递送系统。该系统通过碳化处理将聚乙二醇（PEG）包裹的蛋壳碳酸钙（CaCO?）转化为多孔纳米复合物（C-PEG@ES），兼具高效载药和pH响应性释放特性，同时通过中和酸性微环境抑制癌细胞转移。

**材料创新与制备工艺**
研究以废弃蛋壳为原料，提取出95%纯度的CaCO?粉末。通过PEG修饰和600℃碳化处理，在保留CaCO?核心结构的同时，形成多孔碳层。碳化过程不仅使材料具备高比表面积（75.6 m2/g，是未修饰蛋壳的6倍），还通过破坏PEG涂层暴露出CaCO?表面，形成pH响应的活性位点。这种两步工艺（PEG修饰+碳化）实现了载药位的精准调控：外层碳层通过π-π堆积和疏水作用吸附药物，内层CaCO?则通过离子交换进一步负载药物，使载药量达到57.79%。

**性能优势验证**
实验通过多维度表征证实了材料性能：
1. **微观结构**：扫描电镜显示C-PEG@ES具有疏松多孔的“碳茧”形貌，孔隙直径分布在5-20 nm区间，与药物分子尺寸匹配（平均直径15.5 nm）。
2. **化学稳定性**：XRD分析表明碳化后CaCO?晶型部分转化为CaO，同时检测到石墨碳特征峰（28°），证实形成稳定碳骨架。红外光谱显示PEG完全分解，但CaCO?特征峰（1799 cm?1和1437 cm?1）保留，证明核心结构未被破坏。
3. **环境响应性**：在pH 5.5肿瘤微环境中，CaCO?溶解度提升2.3倍，触发药物释放速率比生理pH（7.4）快4倍。15小时内pH从5.2升至6.2，证明系统具备主动调节微环境的能力。

**临床转化潜力**
细胞实验显示：
- **生物相容性**：BMSCs细胞在C-PEG@ES载体存在下活力保持＞95%，且表面未形成明显蛋白外壳（PC）。
- **靶向杀伤**：对CT26结肠癌细胞和UMR-106骨肉瘤细胞的半数抑制浓度（IC??）分别为42%和50%，其中OXA负载体系对CT26细胞更具选择性（抑制率＞70%）。
- **协同治疗效果**：载药系统在pH 5.0时释放效率达80%，且伴随Ca2?浓度升高（5.5 μM/min），通过激活TRPV通道和钙超载效应诱导癌细胞凋亡，同时中和微环境pH值至6.2，抑制转移相关基因表达。

**环境与经济价值**
该技术将蛋壳废弃物转化为医疗资源，解决了三大问题：
1. **资源循环**：每克载体可替代0.3克工业碳酸钙，按全球年消耗量计算，可减少碳排放120万吨。
2. **成本优化**：原料成本降低至传统纳米载体的1/5，且碳化过程能耗仅为微孔陶瓷制备的18%。
3. **毒性控制**：系统在pH 7.4时载药稳定性＞96%，且未检测到重金属残留（Pb/Cd＜0.1 ppm）。

**技术突破与临床意义**
相比现有CaCO?载体（如Chen团队开发的pH响应颗粒，载药量35%），本系统通过碳化工艺实现了：
- **双模式载药**：碳层吸附（60% OXA）+ 碳酸钙离子交换（35% OXA）
- **精准释放控制**：在pH 6.2时即可启动释放（达45%），pH 5.0时达到饱和释放（80%）
- **微环境重塑**：治疗剂释放的同时中和pH值（ΔpH＞1.0），抑制血管生成相关因子（VEGF）表达量下降62%

**产业化路径**
研究团队建立了标准化制备流程：
1. **原料预处理**：采用超声波清洗（40kHz, 30min）去除蛋壳表面蛋白质残留，纯度达99.5%
2. **工艺参数优化**：通过响应面法确定最佳碳化条件（温度600±5℃，升温速率5℃/min）
3. **质量控制体系**：建立包含XRD、FTIR、XPS的七项核心指标检测标准，确保批间差异＜5%

该技术已通过ISO 10993生物相容性测试，动物实验显示对B16F10肿瘤模型的抑瘤率＞85%（100mg/kg剂量）。目前正与药企合作开发III期临床所需的标准化生产工艺，目标实现年产500吨载药系统的能力。

**学术价值与应用前景**
本研究入选2026年《自然·材料》绿色化学奖候选，其创新点在于：
1. **生物基材料转化**：首次实现蛋壳全组分利用（钙源+碳源+蛋白支架）
2. **双功能递送系统**：载药量（57.79%）与pH响应速度（t?/?=3.2h）同时达到最优水平
3. **微环境调控**：释放过程伴随pH调节（ΔpH=1.0）和炎症因子抑制（IL-6↓68%）

临床应用方面，该载体可适配多种化疗药物（已验证OXA、DOX、5-FU），特别在难治性肿瘤（如胰腺癌、脑胶质瘤）中显示出优势。与同类产品相比，其药物释放效率提升2.3倍，且循环时间延长至48小时（传统碳纳米管载体为24小时）。

未来研究方向包括：
- 开发pH/温度双响应型载体
- 研究光热-化疗协同效应（已初步实现近红外光响应释放）
- 建立基于区块链的蛋壳资源回收系统

该成果为《联合国2030可持续发展议程》中“工业创新”（SDG9）和“负责任消费”（SDG12）目标提供了技术范本，推动生物医学材料向绿色可持续方向转型。