镁氧化物富勒烯笼(Mg12O12)负载青霉胺的吸附机制与生物医学应用：溶剂效应与电子特性的理论探索

本研究通过密度泛函理论(DFT)和分子动力学(MD)模拟，揭示了青霉胺(PCA)在中性和两性离子形式下与Mg12O12富勒烯笼的吸附机制。研究人员发现PCA通过羧基(-COOH)与笼结构发生自发放热反应，吸附能达-2.250 eV（水相），电荷转移量达0.299|e|，显著降低体系硬度并提高化学活性。动态模拟显示结合能在120 ps后达到平衡，红外光谱证实羧基主导的相互作用引发显著谱峰位移。该研究为开发基于MgO纳米结构的靶向药物递送系统和生物传感器提供了理论依据。

　　

青霉胺(PCA)作为治疗威尔逊病和类风湿关节炎的关键药物，长期面临生物利用度低、半衰期短和副作用显著等临床挑战。传统递送系统难以兼顾靶向性和稳定性，而纳米载体技术为解决这一难题提供了新思路。镁氧化物(MgO)纳米颗粒因其优异的生物相容性和FDA认证安全性备受关注，但其与含硫药物的相互作用机制尚不明确。

Princess Nourah bint Abdulrahman University（沙特阿拉伯）的研究团队通过理论计算揭示了Mg₁₂O₁₂富勒烯笼负载PCA的分子机制。研究采用CAM-B3LYP泛函和6-311G**基组进行DFT计算，结合PCM模型模拟水/氯仿溶剂效应，通过NBO分析电荷转移，并利用OpenMX软件进行2.5 ps的MD模拟验证动态稳定性。

吸附构型与能量分析
PCA通过羧基与Mg₁₂O₁₂形成共价键（键长2.111 ?），水相中吸附能(-2.250 eV)显著高于氨基/巯基结合方式(-0.857 eV)。两性离子形式(O-zwitterion)的偶极矩达12.540 Debye，比中性形式高10%，预示更好的溶解性。

电子特性改变
电荷转移使HOMO-LUMO能隙减小13.14%（氯仿相），化学势(μ)从-4.24 eV升至-3.89 eV。TDOS分析显示费米能级附近态密度降低，表明半导体特性增强。

动态行为与溶剂效应
MD模拟显示结合能在120 ps后稳定（图7a），水分子通过2.7 ?氢键与复合物作用（图6）。水相中激发态稳定性提高，而氯仿引起吸收峰红移（图10）。

光谱特征
IR谱中羧基振动峰从1673 cm^-1（游离PCA）位移至1738 cm^-1（O-zwitterion），氨基变形峰出现在1639 cm^-1（图8），可作为负载检测标志。

该研究首次阐明Mg₁₂O₁₂与PCA的构效关系，证明溶剂环境可调控药物释放动力学。通过精准调控Mg-O键的催化活性，为开发pH响应型纳米载体提供了新策略，对改善金属螯合疗法的安全性具有重要价值。论文发表于《Scientific Reports》，为纳米药物设计提供了可量化的理论模型。