《ACS Applied Bio Materials》：Comparative pH-Responsive Loading and Release of Structurally Distinct Central Nervous System Drugs from Graphene Oxide
编辑推荐：
氧化石墨烯（GO）因其大表面积和丰富的表面化学性质而成为一种多功能纳米载体；然而，将药物理化性质与负载和释放行为相关联的系统性研究仍然有限，尤其是针对中枢神经系统（CNS）治疗药物。在此，研究人员提出了一项比较研究，在相同实验条件下，以氧化石墨烯为共同纳米载体
氧化石墨烯（GO）因其大表面积和丰富的表面化学性质而成为一种多功能纳米载体；然而，将药物理化性质与负载和释放行为相关联的系统性研究仍然有限，尤其是针对中枢神经系统（CNS）治疗药物。在此，研究人员提出了一项比较研究，在相同实验条件下，以氧化石墨烯为共同纳米载体，对两种结构不同的中枢神经系统药物d-环丝氨酸（d-cycloserine）和利鲁唑（riluzole）进行了pH响应性负载和释放的比较研究。研究人员系统评估了药物负载效率和包封率随pH、温度和初始药物浓度的变化。GO对d-环丝氨酸表现出更高的亲和力，这归因于其更高的极性和氢键能力，而利鲁唑的负载主要受π-π堆积（π?π stacking）和疏水相互作用控制。两种GO-药物系统均表现出显著的pH响应性释放行为，在酸性条件下加速释放，在生理pH下持续释放。使用SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞进行的体外细胞相容性研究表明，所有配方均具有优异的生物相容性。这项比较研究阐明了药物化学在控制GO-药物相互作用中的关键作用，并为针对中枢神经系统药物递送量身定制的石墨烯基纳米载体提供了设计见解。
中枢神经系统（CNS）药物递送面临水溶性差、快速清除和释放不可控等挑战，传统载体难以满足需求。氧化石墨烯（GO）虽在抗癌领域表现突出，但其在CNS药物中的应用缺乏系统性比较研究。本研究以两种结构不同的CNS药物——d-环丝氨酸（d-cycloserine）和利鲁唑（riluzole）为模型，在相同实验条件下系统比较了GO对它们的负载和pH响应释放行为。研究人员通过调控pH、温度和浓度优化负载，发现GO对极性更强的d-环丝氨酸亲和力更高（氢键主导），而利鲁唑负载依赖π-π堆积和疏水作用。两种药物均表现出酸性加速释放和生理pH持续释放的特性，且细胞相容性良好。该研究揭示了药物化学性质在调控GO-药物相互作用中的关键作用，为设计针对CNS药物的石墨烯基纳米载体提供了实用指导。论文发表在《ACS Applied Bio Materials》。
主要关键技术方法包括：使用场发射扫描电镜（FE-SEM）观察形貌，傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认官能团和相互作用，粉末X射线衍射（PXRD）分析层间距变化，拉曼光谱（Raman）评估结构无序度，热重分析（TGA）测定热稳定性和药物负载量，X射线光电子能谱（XPS）分析表面化学组成。通过紫外-可见分光光度法（UV-vis）定量负载和释放，采用零级、一级、Higuchi和伪二级动力学模型拟合释放曲线。Zeta电位分析仪测量表面电荷，并监测归一化吸光度评估胶体稳定性。细胞毒性评估使用SH-SY5Y人神经母细胞瘤细胞系和CCK-8试剂盒。
**Structural and Morphological Characterization**：通过FE-SEM观察到GO/D表面粗糙有离散亮域，GO/R呈均匀纳米颗粒分布，表明药物成功负载。FTIR显示d-环丝氨酸的N-H峰变化及新峰出现，GO的C═O峰位移，证实氢键和静电相互作用；利鲁唑的C═N和C-F峰减弱宽化，表明π-π堆积和疏水作用。PXRD中GO的(001)峰从11.05°移至8.98°（GO/D）和10.50°（GO/R），层间距分别增至0.80 nm和0.84 nm，d-环丝氨酸更易进入层间。拉曼光谱中GO/D的D/G比从1.12增至1.17，GO/R降至1.02，反映氢键引起更多缺陷而π-π堆积不破坏晶格。TGA显示GO/D和GO/R初始质量损失减少，热稳定性增强。XPS中C 1s谱显示C-O-C和C═O峰强度下降，C-C/C═C峰增强，且出现N 1s、F 1s和S 2p信号，证实药物通过含氧官能团和石墨域相互作用。
**Optimization of Drug Loading Effects of pH, Temperature, and Concentration**：在pH、温度和浓度优化实验中，d-环丝氨酸（D）的负载效率（DL%）和包封率（EE%）始终高于利鲁唑（R）。酸性条件下两种药物负载更高，碱性时下降，归因于质子化增强氢键和π-π作用。温度从25°C升至45°C仅轻微降低负载，表明非共价作用主导。增加初始浓度使负载增加，但R的上升更陡（浓度驱动π-π堆积），D趋于饱和（氢键位点有限）。
**pH-Responsive Drug Release Profiles**：在pH 1.2下，游离药物快速释放，而GO/D和GO/R先释放后持续48小时。在pH 7.4下，释放速率进一步降低，GO/D最初1小时释放约40%，GO/R更慢。两种系统均显示酸性加速、生理pH持续释放的特性。
**Zeta Potential and Colloidal Stability Analysis**：Zeta电位在pH 4-10范围内，GO/D在碱性下更负（-35 mV），GO/R负值减小（-20 mV），表明GO/D静电稳定占优，GO/R非静电作用更强。在pH 1.2下，GO和GO/D吸光度缓慢下降至0.70和0.65，GO/R保持0.99，显示酸稳定性。pH 7.4下所有系统吸光度>0.81，分散良好。高离子强度（10 mM NaCl）导致聚集，尤其GO/R。
**Release Kinetic Analysis**：释放数据拟合显示伪二级模型相关系数最高（R2 0.9917-0.9991），优于零级、一级和Higuchi模型，表明释放由相互作用控制的解吸主导，而非简单扩散。GO/R在pH 7.4下具有更高k?值，反映药物化学影响释放动力学。
**Cytocompatibility Evaluation**：使用SH-SY5Y细胞，所有浓度下GO、游离药物和GO/药物偶联物均显示高细胞活力，无额外毒性。实验浓度范围（d-环丝氨酸0.25-1.50 μg/mL，利鲁唑0.50-3.5 μg/mL）与临床药理学基准一致，且低于GO毒性阈值（10-20 μg/mL），表明治疗相关性和安全性。
讨论部分总结：本研究成功制备了GO/D和GO/R纳米偶联物，系统比较了两种CNS药物的负载和释放行为。表征证实非共价负载，药物理化性质（极性、氢键能力 vs. π-π堆积和疏水性）决定负载效率和相互作用模式。pH响应释放和动力学分析表明药物-载体相互作用调控释放。Zeta电位和稳定性研究证实释放源于分子解吸而非载体崩解。细胞相容性良好，无额外毒性。研究结论翻译：本研究成功制备了GO/D和GO/R纳米偶联物，并作为中枢神经系统（CNS）药物递送的比较平台进行系统研究。全面的理化表征证实d-环丝氨酸和利鲁唑均通过非共价相互作用固定在GO上，未破坏GO骨架。比较负载研究表明，溶液pH和初始药物浓度主导负载性能，而温度影响较小。重要的是，d-环丝氨酸始终表现出高于利鲁唑的负载和包封效率，反映了药物极性和氢键能力相对于π-π和疏水作用的关键贡献。体外释放实验显示两种纳米偶联物均具有显著的pH响应释放曲线，酸性条件下加速释放，生理pH下持续释放。GO/D和GO/R不同的释放曲线进一步强调了药物化学在调节药物/载体相互作用和解吸行为中的作用。Zeta电位和胶体稳定性研究表明，药物释放发生在稳定载体的分子解吸过程，而非自发载体塌陷或沉降。尽管动态光散射分析可提供更多粒径分布信息，但Zeta电位测量与稳定性研究结合仍为GO基纳米偶联物在实验条件下的胶体行为提供了可靠见解。使用SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞的细胞相容性研究证实，两种GO基纳米偶联物均具有高细胞相容性，表明非共价药物固定不会引入额外细胞毒性。总体而言，这项比较研究阐明了内在药物理化性质如何控制氧化石墨烯上的负载性能和pH响应释放。所获得的见解为针对化学多样性CNS活性小分子量身定制石墨烯基纳米载体提供了实用设计指南，并为GO基药物递送系统的进一步优化和体内评估奠定了基础。
