表面质子化增强氮化碳纳米片诱导的磷脂提取：细胞毒性增强的分子机制解析

为解决碳纳米材料在生物和环境系统中因表面化学变化导致的毒性风险问题，研究人员开展了质子化氮化碳(p-C3N4)对红细胞膜破坏机制的研究。通过实验和模拟发现，质子化通过减少表面负电荷、形成氢键和扩大含氧大孔，显著增强磷脂提取能力，揭示了物理相互作用主导的细胞毒性机制。该研究为碳氮基生物材料的风险评估和功能设计提供了关键依据。

　　

在纳米材料广泛应用于生物医学和环境的背景下，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)因其可调电子结构和良好生物相容性成为研究热点。然而，其在环境中发生的氧化、质子化等转化会显著改变表面性质，可能引发未知的生物毒性风险。尤其当这类材料通过血液接触红细胞时，膜破坏效应可能对健康造成直接威胁。目前，关于质子化如何影响g-C₃N₄与生物膜相互作用的分子机制尚不明确，这严重制约了其安全应用。

针对这一科学问题，国内研究人员在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》发表研究，系统探究了质子化氮化碳(p-C₃N₄)的细胞毒性演化机制。通过盐酸辅助水热法合成不同质子化程度的p-C₃N₄样品，结合溶血实验、磷脂吸附实验、分子对接和分子动力学模拟等多尺度方法，揭示了表面化学修饰对膜破坏行为的调控规律。

关键技术方法包括：1）通过X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)表征材料表面化学性质；2）采用兔红细胞溶血实验评估膜破坏效应；3）基于Materials Studio软件进行分子动力学(MD)模拟，解析p-C₃N₄与磷脂分子1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱(DOPC)的相互作用机制。

3.1 质子化氮化碳的物理性质变化
表征结果显示，酸氧化导致g-C₃N₄三嗪环断裂，引入含氧基团（如C=O、C-OH）和伯氨基。SEM观察到片层结构破碎，BET比表面积随质子化程度呈先增后降趋势。XPS证实氧含量从1%（g-C₃N₄）升至13%（p-C₃N₄-3），Zeta电位分析表明表面负电荷减少，与氧含量呈强相关性（R²=0.95）。

3.2 质子化氮化碳的溶血效应演化
溶血实验显示，p-C₃N₄的膜破坏能力显著增强，EC₅₀值与Zeta电位线性相关（R²=0.97）。光学显微镜观察到红细胞与p-C₃N₄异质聚集导致的膜破裂。值得注意的是，丙二醛(MDA)检测未发现显著脂质过氧化，表明化学氧化作用微弱，物理性磷脂提取是主要机制。

3.3 质子化氮化碳对磷脂分子的摄取
吸附动力学研究表明，p-C₃N₄对DOPC的最大吸附量达800 μmol/g，是g-C₃N₄的4.4倍。Freundlich模型拟合显示多层吸附特征，吸附速率常数随质子化程度提高，证实表面修饰增强亲和力。

3.4 质子化增强膜破坏的分子机制
分子模拟揭示三重机制：1）减少的表面负电荷削弱静电排斥；2）含氧基团与磷脂头形成氢键；3）氧化产生的大孔（直径>1 nm）可锚定胆碱头基。MD模拟显示，p-C₃N₄的含氧大孔使DOPC头基穿透深度达0.5 nm，实现不可逆结合。

该研究首次阐明质子化通过物理-化学协同作用放大g-C₃N₄膜毒性的分子机制。发现表面电荷调控是影响生物相互作用的关键因素，而传统关注的ROS氧化应激在短期暴露中贡献有限。这些认识不仅为碳基纳米材料的转化毒性预测建立新模型，也为设计低毒性生物材料（如通过控制质子化程度）和开发膜靶向纳米药物（如利用大孔增强磷脂结合）提供了理论支撑。在环境健康领域，研究强调必须考虑材料老化过程对生态风险的潜在放大效应，对建立全生命周期纳米产品安全评估框架具有重要启示。