水环境中壳聚糖-PLGA纳米载体对5-氟尿嘧啶负载效率的计算机制研究

《Scientific Reports》：Computational insights into the 5-fluorouracil loading efficiency of chitosan-PLGA nanocarrier in water

　　

摘要

5-氟尿嘧啶（5-FU）的治疗应用受到其快速代谢、系统性毒性以及药物耐药性的限制，这促使人们开发高效的基于聚合物的纳米载体。本研究利用密度泛函理论（DFT），在PBE-D3/6–311?+?G**水平上，通过极化连续模型（PCM）模拟水环境，研究了5-FU与壳聚糖偶联的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（CS–PLGA）混合纳米载体之间的非共价相互作用。结构分析表明，5-FU的吸附会导致PLGA中的羰基和酯键出现轻微伸长（约0.01埃），同时伴随轻微的角度变形，这说明存在较弱到中等的氢键及静电相互作用，但并未破坏聚合物主链的结构完整性。吸附能介于-0.87至-1.16电子伏特之间，表明5-FU在CS–PLGA表面上的吸附是能量上有利的。前沿分子轨道分析显示，形成复合物后HOMO–LUMO能隙有所减小（ΔE_g约为15–17%），同时偶极矩增大，这说明药物-载体系统的极性增强了。紫外-可见光谱模拟结果显示吸收峰向长波方向移动（271–295纳米），这反映了药物吸附引起的电子结构变化，与氢键及局部静电相互作用带来的激发态稳定化一致。电荷转移、ESP和NBO分析表明，在某些构型下，电子会从CS–PLGA转移到5-FU上，这也与非共价吸附机制相符。红外光谱的变化进一步证实了药物与聚合物功能团之间存在由氢键介导的相互作用。综上所述，这些结果表明CS–PLGA能为5-FU的吸附提供稳定且反应灵敏的环境，有望作为用于可控药物递送的纳米载体。