斜发沸石富集天然沸石中修饰依赖性抗生素负载：多西环素与阿莫西林的行为对比

《Materials Chemistry and Physics》：Modification-dependent antibiotic loading in clinoptilolite-rich natural zeolite: contrasting behavior of doxycycline and amoxicillin

　　

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  天然富斜发沸石（clinoptilolite）被评估作为多西环素和阿莫西林的载体。
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  沸石改性显著影响抗生素负载行为。
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  Na⁺ 交换使多西环素负载量从 198.5 降至 185.8 mg/g。
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  Na⁺ 交换使阿莫西林负载量从 100.4 增至 114.2 mg/g。
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  抗生素负载受表面相互作用和扩散控制。

引言

抗菌药物耐药性的日益流行仍然是全球健康挑战，降低了常规抗生素疗法的有效性，并增加了临床实践中治疗失败的风险 [1]。此外，许多常用抗生素存在局限性，如在生理环境中稳定性差、全身清除速度快以及控制释放能力有限，这可能会损害治疗效果并需要反复给药 [2]。

对此，大量研究工作致力于开发先进的药物递送系统，以提高药代动力学特征并在较长时间内维持治疗浓度 [3]。在探索的各种方法中，无机多孔材料因其结构稳定性、高比表面积和可调节的表面化学性质而受到越来越多的关注，这些特性共同实现了高效的药物包埋和可控释放行为 [4]。特别是，沸石等结晶微孔铝硅酸盐因其明确的骨架结构、离子交换性能和化学稳健性而成为有前景的候选材料 [5]、[6]。最近的研究强调了它们的潜力，不仅作为被动载体，还作为功能平台，其中药物释放可通过骨架组成、粒径和表面改性策略进行调节 [7]、[8]。它们的孔结构能够高效包埋各种生物活性分子，而其表面化学性质可以系统地工程化以调节主客体相互作用并优化负载和释放行为 [9]。此外，它们的生物相容性和结构多样性促进了其在高级制药配方和基于聚合物的递送系统中的应用 [10]。

沸石已被广泛研究作为各种治疗药物的载体，其中负载效率和释放行为取决于孔径、Si/Al 比率和表面亲水性 [11]。药物负载和释放通常受离子交换、静电相互作用、氢键和扩散过程的组合控制，具体取决于骨架性质和药物结构 [8]。在此背景下，常用的动力学模型如拟一级和拟二级方程应被视为描述吸附速率的经验工具，不同的潜在物理化学机制可能会产生相似的拟合结果 [12]。这些特性使得天然沸石成为增强药物稳定性、通过控制释放方法提高治疗效果和降低全身毒性的有吸引力候选材料 [13]、[14]。

然而，沸石表面与许多药物分子之间的亲水性差异可能会限制吸附效率和负载能力。这一缺点可以通过表面官能化策略来克服，这些策略增强了界面相容性并加强了主客体相互作用 [15]、[16]。因此，由于独特的结构和物理化学特性，天然沸石正在被进一步探索作为口服和局部递送系统的多功能载体 [17]、[18]。

多西环素（Dox）和阿莫西林（Amx）是两种广泛使用的广谱抗生素，具有互补的抗菌活性 [19]。多西环素是一种四环素衍生物，对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌均表现出活性，此外还提供抗炎益处，使其在治疗牙周和组织相关感染方面具有重要价值 [20]。阿莫西林是一种半合成 β-内酰胺类抗生素，由于其广泛的抗菌谱和良好的安全性档案，仍然是处方最多的药物之一 [21]。然而，这两种抗生素的治疗效果可能会因生理条件下的化学不稳定性及次优药代动力学行为等问题而降低，这可能需要重复给药 [6]、[22]。

尽管在先进药物递送系统方面取得了巨大进展，但同时对抗生素稳定性、负载和持续释放进行控制仍然具有挑战性 [23]。虽然基于沸石的载体已成为有前景的无机平台，但大多数现有研究主要集中在吸附容量和经验性释放行为上，而对于骨架依赖性参数（如 Si/Al 比率、孔拓扑结构和补偿阳离子）如何控制抗生素 - 沸石相互作用和释放动力学的机制见解有限 [7]。特别是，离子交换动力学与特定抗生素物理化学性质之间的关系尚不清楚，这限制了递送系统的预测性设计 [18]。涉及同一沸石系统内结构不同抗生素的比较研究仍然稀缺，限制了更广泛的构效关系的开发，用于合理的载体设计。

在这一背景下，沸石组成和改性对特定抗生素负载行为的影响仍然特别令人感兴趣。在定义的负载条件下直接比较化学性质不同的抗生素可以帮助阐明载体改性和分子性质如何共同影响摄取。

为了解决这些挑战，本研究调查了富含斜发沸石（clinoptilolite）的天然沸石作为 Dox 和 Amx 的载体。该材料经过洗涤、热处理和 Na⁺ 交换，所得样品在矿物组成、结构稳定性、痕量元素含量、离子交换容量和孔隙率方面进行了全面表征。通过平衡和动力学分析评估了这些改性对 Dox 和 Amx 负载的影响，特别关注沸石物理化学性质对摄取行为的影响。研究结果提供了抗生素 - 沸石相互作用的见解，并为具有可调药物负载特性的天然沸石基系统的合理设计做出了贡献。

部分摘录

材料

盐酸多西环素（Dox，纯度 93.5%，HPLC 级）购自 Sigma-Aldrich。阿莫西林三水合物（Amx，纯度≥98%，HPLC 级）由 Santa Cruz Biotechnology 提供。所有其他试剂和化学品均为分析纯，购自 Merck。超纯水来自 Purelab 3 Flex 系统（Elga Veolia）。

原沸石的制备

沸石凝灰岩样品采集自罗马尼亚萨拉什县的 Chilioara 采石场。岩石首先被破碎成小于 2.5 厘米的尺寸，使用

起始沸石材料的表征

起始天然沸石（CNZ）的物理化学特性见表 1。材料的总表面积为 70 m²/g，总孔容为 0.165 cm³/g，表明具有发达的孔隙结构，适合吸附和离子交换应用，如先前报道的天然沸石 [35]。平均孔径半径为 26 ?，表明孔隙网络从中孔范围延伸至大孔范围，预计这将促进

结论

本研究证明天然沸石是多西环素和阿莫西林的有效载体，其负载行为受物理化学改性（包括热处理、洗涤和 Na⁺ 交换）的强烈影响。XRD 证实斜发沸石为主导晶相，并显示抗生素负载后沸石骨架得以保留，而 CNS 元素分析提供了抗生素并入的独立化学证据。痕量元素分析显示低

CRediT 作者贡献声明

奥阿娜·卡达尔（Oana Cadar）：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，方法，调查，形式分析，数据管理，概念化。安卡·贝采（Anca Becze）：调查，数据管理。多丽娜·西梅德鲁（Dorina Simedru）：调查，数据管理。丹尼埃拉·斯库尔图（Daniela Scurtu）：调查，形式分析。伊雷姆·托普拉克奇（?rem Toprak??）：软件，形式分析。埃布鲁·库图尔巴什（Ebru Kurtulba?）：软件，形式分析。塞林·萨欣（Selin Sahin）：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作由研究、创新和数字化部、CCCDI - UEFISCDI 资助，项目编号 PN-IV-P8-8.3-PM-RO-TR-2024-0011，属于 PNCDI IV 范围，以及国家研究开发与创新计划 2022-2027 范围内的核心计划，得到MCID的支持，项目 PN 编号 23 05，以及土耳其科学技术研究委员会 (TüB?TAK，项目编号：124N481) 在 TüB?TAK-MCID双边合作计划（项目代码：2569）下的支持。

奥阿娜·卡达尔|安卡·贝采|多丽娜·西梅德鲁|丹尼埃拉·斯库尔图|伊雷姆·托普拉克奇|埃布鲁·库图尔巴什|塞林·萨欣