面向水基纳米材料资源高效设计的pH响应性CuS/聚合物纳米界面原子尺度评估

《Sustainable Chemistry One World》：Atomistic assessment of pH-responsive CuS/polymer nanointerfaces for resource-efficient design of aqueous nanomaterials

　　# 摘要响应性纳米材料的理性设计需要分子层面的信息，以减少经验性的试错实验并提高化学品和材料的使用效率。采用密度泛函理论（DFT）和经典分子动力学（MD）模拟研究了 mPEG-b-C18 及其在酸性条件下质子化生成的辛十八胺片段在水中的 CuS 纳米片上的界面行为。采用 PBE 泛函优化了周期性斜硫铜矿结构，并用于构建用于经典 MD 模拟的有限纳米片。在 310 K 的显式水环境中模拟了单分子和多分子体系，设定了两个预定义的化学状态：完整的 mPEG-b-C18 以及作为酸性触发的后水解片段的质子化辛十八胺。相互作用能、质心距离、轴向浓度分布和径向分布函数显示，含十八烷基的区域与 CuS 保持紧密关联，而富含 PEG 的区域则更多地暴露于水中。在多分子体系中，涂层衍生物在两种化学状态下均保持与纳米片表面的关联。这些发现从原子层面揭示了与酸性触发的 PEG 断裂相关的界面组织信息，可能有助于更有针对性地设计响应性 CuS/聚合物纳米材料。在经典 MD 模型中，CuS 表面被假定为固定且不带电，因此解释重点在于定性的界面趋势。# 引言纳米医学整合了功能性材料、分子靶向和外部触发的治疗机制，以提高肿瘤定位和治疗选择性 [1]。在可用的设计策略中，刺激响应性两亲性涂层尤其引人注目，因为它们可以在生理介质中稳定纳米载体，同时在肿瘤微环境中改变其界面性质。聚（甲氧基聚乙二醇）-苯甲酸亚胺十八烷（mPEG-b-C18）含有一种酸敏感的苯甲酸亚胺键，该键在弱酸性条件下发生水解。酸性触发的 PEG 脱落已被认为可加速吲哚菁绿的释放并增强细胞摄取 [2]，而暴露正电荷的含氨基片段已被报道可提高骨膦酸钠的细胞内递送 [3]。这些观察结果确立了 mPEG-b-C18 作为一种能够在生理 pH 下维持胶体稳定性的涂层，同时具备酸响应性表面化学变化能力的涂层。第二近红外窗口（NIR-II）的光热治疗已受到广泛关注，因为更长的近红外波长可以提供更深的组织穿透和减少的光散射 [4]。光热处理与免疫治疗策略结合时还可以支持抗肿瘤免疫反应 [5]。硫化铜（CuS）纳米材料在这方面前景广阔，因为其强烈的近红外响应已实现了光热治疗 [6]、[7] 以及联合光热和光动力效应 [7]、[8]。因此，将 CuS 与酸性响应聚合物涂层结合可以兼具体光学功能与 pH 响应性界面行为。最近开发了一种涂覆 mPEG-b-C18 的 CuS 纳米片平台用于脑肿瘤免疫治疗 [9]。在该体系中，酸性条件下的涂层转变促进了电荷转换和肿瘤穿透，而 NIR-II 辐照产生了局部加热。实验中观察到的生物学反应表明，涂层保留、部分脱落以及 CuS/水界面上的分子重组是纳米平台性能的核心。然而，这些界面过程无法仅通过整体实验测量直接解析。分子动力学（MD）模拟可以提供吸附几何构型、分子取向以及固/液界面上溶剂介导相互作用的原子层面信息。相关模拟已阐明了聚合物与碳基表面的相互作用以及石墨烯衍生纳米载体上治疗分子的有效负载和释放 [10]、[11]、[12]。对于 CuS 上的 mPEG-b-C18 衍生物，类似的原子层面信息仍然有限。在本研究中，采用 DFT 优化并评估了周期性斜硫铜矿 CuS 模型及其结构和光学响应；由该结构衍生的有限 CuS 纳米片随后用于经典 MD。研究考察了两种预定义的化学状态：完整的 mPEG-b-C18 以及质子化辛十八胺（作为酸性触发的后水解片段）。后者代表了亚胺断裂和胺质子化的化学终点。在经典模拟中未分配明确的 pH 或 pKa 值。因此，在每个预定义状态中考察了界面组织和片段特异性关联。# 章节摘录## CuS 晶体结构制备在室温下，斜硫铜矿 CuS 结晶为六方 P6?/mmc 空间群（编号 194）[13]、[14]。从文献中采用的晶格参数和分数原子坐标总结于表 1。初始晶体结构在 BIOVIA Materials Studio 2023 中构建，并在分子模拟之前进行优化。采用 CASTEP 模块中的 Kohn-Sham DFT 和 PBE 交换关联泛函优化了 CuS 原胞。布里渊区采样 [内容被截断]。## CuS 晶体结构模型优化后的晶格参数和分数原子坐标总结于表 3。利用图 3 中所示的模拟粉末 X 射线衍射图谱评估了优化后 CuS 模型的结构一致性。周期性斜硫铜矿结构在约 28°、29°、32°、33°、48°、53° 和 60° 处表现出主要反射峰（图 3a）。这些反射峰与报道的斜硫铜矿 CuS 的特征衍射特征一致 [23]。特别是，Yalamandala 等人 [内容被截断]。## 结论DFT 和分子动力学模拟从原子层面描述了 CuS 纳米片与水中两种涂层衍生分子状态的相互作用。优化后的斜硫铜矿结构再现了报道的 CuS 的主要衍射特征，并表现出宽近红外吸收。在水相分子动力学体系中，完整的 mPEG-b-C18 和质子化辛十八胺均保持与 CuS 表面的关联。在所有结构描述符中 [内容被截断]。## 局限性本模型提供了一种简化的原子层面表示，旨在进行定性界面分析。CuS 原子被固定并分配了零偏电荷，UFF/QEq 参数未针对 CuS/聚合物/水界面进行专门验证。质子化体系使用 Ewald 中性化背景处理，未引入显式反离子，mPEG-CHO 未包含在酸性触发片段模型中。确切的原子终止和电子偶极 [内容被截断]。## CRediT 作者贡献声明**Tai Van Do**：撰写——初稿。**Vinh Nguyen Thanh Pham**：监督。**Ha Manh Bui**：撰写——审阅与编辑。## 伦理标准合规性本文不包含涉及人类或动物主体的任何研究。## 利益冲突声明作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。## 致谢作者无致谢内容需要声明。---Tai Van Do | Vinh Nguyen Thanh Pham | Ha Manh Bui