基于DFT计算的B12N12纳米笼负载美沙拉嗪递送系统的结构特性与机制研究

本研究针对炎症性肠病(IBD)治疗中药物的靶向递送难题，通过密度泛函理论(DFT)系统分析了B12N12纳米笼负载美沙拉嗪的结构与电子特性。结果表明该载体在气相和水相中均呈现负吸附能(Eads)，能隙(Eg)最大降低40.87%，证实其通过氢键和范德华力实现稳定载药，为设计新型纳米药物递送系统提供了理论依据。

　　

炎症性肠病(IBD)作为全球范围内日益严重的慢性炎症性疾病，其治疗核心药物美沙拉嗪(5-氨基水杨酸)面临着肠道靶向性差、生物利用度低等挑战。传统递送系统难以实现药物的精准释放，而纳米载体的出现为解决这一难题带来了曙光。其中，由硼氮原子构成的B₁₂N₁₂纳米笼因其独特的电子特性（宽达5.5 eV的带隙）和生物相容性，在药物递送领域展现出巨大潜力。然而，这种纳米材料与抗炎药物的相互作用机制尚不明确，这直接制约着其临床应用开发。

为阐明这一科学问题，来自多国合作团队的研究人员采用密度泛函理论(DFT)这一量子力学计算方法，首次系统研究了B₁₂N₁₂纳米笼负载美沙拉嗪的分子机制。研究论文发表在《Computational Biology and Chemistry》期刊，通过理论计算揭示了纳米载体与药物分子的精确相互作用模式，为开发新一代IBD靶向治疗系统奠定了理论基础。

研究主要采用M06-2X-D3泛函结合6-31G(d,p)基组进行几何优化，运用自然键轨道(NBO)、非共价相互作用(NCI)和约化密度梯度(RDG)等分析方法，在气相和水相环境中全面评估了复合物的稳定性。通过前沿分子轨道(HOMO-LUMO)分析、福井函数计算和电子密度差(EDD)研究，揭示了电荷转移机制。

结构优化与稳定性
研究显示B₁₂N₁₂纳米笼由8个六元环和6个四元环构成，具有T_h对称性。美沙拉嗪通过羧基氧原子与纳米笼硼原子形成强相互作用，气相吸附能(E_ads)达-1.12 eV，水相中增强至-1.35 eV，证实溶剂效应显著提升复合物稳定性。RDG分析直观展示了药物-载体间的氢键(O-H···N)和范德华作用区域。

电子特性改变
吸附导致纳米笼能隙(E_g)显著降低：气相下降37.75%（从5.12 eV至3.19 eV），水相更达40.87%。HOMO-LUMO轨道分布变化表明，美沙拉嗪的羧基和羟基官能团是参与电荷转移的关键位点。NBO分析显示0.38 e的电荷从纳米笼转移至药物分子，形成稳定静电相互作用。

热力学与溶剂化效应
计算得到的吉布斯自由能变(ΔG)均为负值，证实吸附过程的自发性。水相中更强的溶剂化作用使复合物稳定性提高21.4%，这与实验观测到的纳米载体在生理环境中的性能提升相一致。福井函数分析确定了B₁₂N₁₂表面活性位点的空间分布规律。

这项研究通过多尺度理论计算，证实B₁₂N₁₂纳米笼是美沙拉嗪的理想载体：其独特的电子结构可实现药物稳定负载，能隙变化可作为释放监测指标，而溶剂增强效应保障了生理环境中的递送效率。该发现不仅为IBD治疗提供了新型纳米递送方案，更建立了"结构-电子特性-载药性能"的构效关系模型，对开发其他纳米药物系统具有普适指导意义。未来研究需重点解决表面功能化修饰和体内靶向性优化等转化医学问题，推动该理论成果向临床应用迈进。