单层PtS?作为熊果酸药物递送载体的理论计算

《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：Theoretical calculations of monolayer PtS 2 as a drug delivery carrier for ursolic acid

本研究通过第一性原理计算验证PtS?单层作为乌索酸载体的可行性，其具有结构稳定性、高吸附能（?3.84 eV），应变调控光学吸收，温度可控释药特性，为纳米药物载体开发提供理论支持。

　　

杨青华|郭茂东|朱晓

中国金华市金华职业技术学院，321017

摘要

熊果酸（UA）具有抗炎和抗肿瘤特性。开发一种用于输送UA的纳米药物递送系统可以提高其生物利用度。近年来，由于具有独特的物理化学性质，过渡金属硫化物已成为纳米药物递送系统发展中的主要二维纳米结构。本研究采用第一性原理计算方法评估了单层PtS₂作为UA载体的可行性。结果表明，单层PtS₂作为UA载体具有结构稳定性，其吸附能为?3.84 eV。穆利肯电荷分析显示UA向PtS₂捐赠了0.34 |e|的电荷。此外，施加应变会导致单层PtS₂的光吸收峰发生红移，从而增强其光吸收能力。进一步研究表明，当单层PtS₂用作熊果酸的递送载体时，表现出良好的温度控制释放特性。这些结果为创新药物载体的开发提供了理论依据，并有望显著促进炎症性肠病的治疗。

引言

炎症性肠病（IBD）与癌症的发展密切相关，在全球范围内对治疗提出了重大挑战[1]。环氧化酶-2（COX-2）是一种在IBD背景下显著表达的诱导异构体[2]。临床研究证实COX-2表达水平与IBD的进展之间存在强烈相关性[3]。熊果酸（UA）因其抗炎、抗肝细胞癌和抗肿瘤特性而受到关注[4][5][6]。研究表明，UA可以通过抑制COX-2表达有效诱导细胞凋亡并抑制血管生成[6]。然而，UA的临床应用受到多种因素的限制，尤其是其水溶性较低，导致生物利用度低和药代动力学不佳，从而限制了其治疗效果[7]。UA相对较短的半衰期和低生物利用度进一步限制了其临床应用[8]。

为了提高UA的水溶性和生物利用度，已经开发了多种基于纳米技术的药物递送系统[9,10]。适当设计的药物载体可以促进UA的有效快速释放，可能增强其抗炎和抗肿瘤效果[11]。近年来，人们对二维（2D）纳米材料的药物递送能力越来越感兴趣，因为它们的优异性能为治疗多种疾病提供了显著优势[12]。基于2D的纳米药物递送系统的快速发展为生物医学研究带来了巨大前景[13]。

在Khudhair的研究中，环冠烯（CC）和氮化硼环冠烯（BNCC）被用作抗癌药物氟尿嘧啶的载体[14]。Ajeel等人研究了单壁碳纳米管的电子、热化学和振动特性[15]。Khudhair等人研究了双层环冠烯（CC2L）和氮化硼双层环冠烯（BNCC2L）作为药物载体的性能[16]。此外，Khudhair等人还使用理论方法研究了C₂B和C₂O作为抗癌药物载体的性能[17]。研究表明，氮化硼石墨烯纳米带对抗癌药物具有良好的吸附性能[18]。还有报道指出，C₃N₃和B₃O₃基底对这些药物表现出电响应[19]。Li等人开发了一种氧化石墨烯纳米载体，用于双重药物光化疗以克服癌症中的药物耐药性[20]。Zhao等人总结了GBNs在药物和基因递送、生物成像和组织工程等领域的详细生物医学应用[21]。

过渡金属硫属化合物（TMDs）的一般化学式为MX₂，其中M表示周期表第4至10族的过渡金属，X表示硫属元素[22]。TMDs中金属原子的不同配位范围导致了显著不同的结构相，从而在负载能力方面提供了很大的灵活性[23]。Wang利用密度泛函理论（DFT）方法研究了铂二硫化物（PtSe₂）作为脊髓损伤治疗剂的潜力，发现PtSe₂可以有效促进药物分子的温度控制释放[24]。在TMDs中，铂硫化物（PtS₂因其优异的物理化学性质和吸附特性而受到广泛关注[25]。与MoS₂和WS₂相比，PtS₂具有更高的环境稳定性和兼容性[26]。然而，其作为药物载体的性能尚未得到研究。

本研究采用第一性原理计算方法评估了过渡金属硫化物PtS₂作为熊果酸（UA）递送载体的潜力。首先构建了PtS₂的单层分子模型，并通过声子谱和从头算分子动力学（AIMD）模拟评估了其结构稳定性。利用应变技术调节了PtS₂对UA分子吸附的吸附特性、电子性质和光学性质。该研究进一步评估了PtS₂有效促进药物分子温度控制释放的能力。这些发现有望推动二维纳米材料在抗癌和抗炎治疗药物递送系统中的应用。

计算方法

本文的计算基于密度泛函理论（DFT），并使用从头算模拟软件包CASTEP[27]执行。采用超软赝势方法对核心电子进行建模，同时使用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函的广义梯度近似（GGA）来描述电子交换和相关相互作用[28,29]。为了缓解传统PBE交换泛函的常见问题

PtS₂的结构优化

首先，对PtS₂本征单层的结构特性进行了研究。经过全面的结构优化后，PtS₂单层的精炼晶体结构如图1所示。该结构呈现S-Pt-S排列的夹心配置，属于空间群P3m1（编号164）。计算得到的平衡晶格常数和键长分别为3.549 ?和2.391 ?

结论

本研究通过第一性原理计算系统评估了单层PtS₂作为熊果酸载体的潜力。理论结果表明，单层PtS₂具有良好的结构稳定性，并能与药物分子形成相对稳定的界面键。电子结构分析证实，该载体系统具有有利的半导体特性，其电子结构可以通过应变工程进行有效调节。该研究还

CRediT作者贡献声明

杨青华：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件。郭茂东：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。朱晓：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。