关于碳点与阿司匹林相互作用机制的探究：实验与理论相结合的方法

本研究采用环保的非化学合成方法制备了 Tribulus terrestris 叶片碳点（CDs），并探究其与抗炎药 Aceclofenac（ACE）的相互作用。通过FT-IR、UV-Vis光谱及密度泛函理论计算，揭示了非共价相互作用、电子效应及氢键作用机制，为CDs作为纳米载体的药物递送系统提供理论支持。

Karthik Krishnasamy | Thangavel Subramani

印度泰米尔纳德邦埃罗德市Nandha艺术与科学学院化学系，邮编638052

摘要

在这项研究中，我们采用了一种更环保、无化学试剂的方法，利用Tribulus terrestris（TTLF）的叶子合成了碳点（CDs），这体现了其环境可持续性和生物相容性。我们选择了广泛使用的非甾体抗炎药aceclofenac（ACE）来研究其与碳点的相互作用，并探索碳点作为药物载体的潜力。通过多层次计算框架结合傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和紫外-可见光谱（UV–Vis）实验数据，分析了ACE与碳点之间的复合物相互作用。这些分析提供了关于非共价相互作用、电子扰动、氢键形成、电荷转移以及复合物稳定机制的详细机制见解。这些发现为未来的ACE药物递送研究和配方优化提供了理论基础，突显了绿色碳点作为可持续纳米载体的潜力。

引言

近年来，碳点因其独特的性质（如生物相容性、水溶性、低毒性和抗光漂白性）而受到越来越多的关注[1][2]。这些性质使得碳点适用于多种应用，包括生物成像、生物传感、催化、能量存储和药物递送[3][4]。碳点具有成本效益高、可规模化生产且环保的特点，特别适合大规模应用。其合成过程通常使用廉价且可再生的前体材料，如树叶、蔬菜、水果、果汁、碳水化合物，甚至是废弃物（柠檬皮、橙皮、西瓜皮、稻壳和甘蔗渣），从而降低了生产成本和环境影响[5][6][7]。 Aceclofenac是一种非甾体抗炎药，常用于缓解类风湿性关节炎、骨关节炎和强直性脊柱炎等疾病的疼痛和炎症[8]。与其他非甾体抗炎药相比，ACE具有更好的胃肠道耐受性[9][10]，适合长期使用。尽管具有治疗优势，但ACE仍面临一些限制其效果的挑战：口服时其水溶性较差，导致溶解速度慢，从而降低系统生物利用度[11][12][13]；较高的系统暴露量会增加胃肠道副作用的风险，包括溃疡和胃黏膜刺激[12]。ACE在固态下稳定，但在溶液中会因pH值的变化而发生水解降解。在酸性条件（0.1 mol/L HCl， reflux 8小时）和碱性条件（0.01 mol/L NaOH，40°C，reflux 8小时）下，会分解成多种产物，其中diclofenac是主要降解产物。在中性水醇条件下，经过12小时回流后约有36%–37%的ACE发生降解，剩余62%–63%的原始化合物保持完整。光解研究也证实diclofenac是ACE的主要降解产物[10][13][14]。这些不稳定性可能导致治疗效果下降和保质期缩短。通过使用共形剂形成共晶体或盐类可以改善ACE的溶解性和生物利用度[13][15][16][17]。共晶体可以与多种共形剂形成，例如肉桂酸、苯甲酰胺、二甲脲、壳聚糖和哌嗪[13][16][17]，这些共形剂能改善活性药物成分（APIs）的物理化学性质，如溶解性、稳定性和生物利用度。然而，这些共形剂的一个显著缺点是可能引起严重的胃肠道刺激[16]。某些共形剂可能会意外解离成游离的API和共形剂，从而改变溶解率和生物利用度，对整体效果产生负面影响[18]。 为了克服这些挑战，人们越来越关注更安全的替代品，如天然化合物或生物友好的共形剂。碳点作为共晶体形成的候选材料出现，为提高药物生物利用度和稳定性提供了有效的替代方案[3][19][20]。尽管取得了这些进展，但对碳点与药物之间具体相互作用的理解仍然有限。密度泛函理论（DFT）方法为研究碳点-药物相互作用及预测药物-载体系统的行为提供了可靠的方法，可以在合成和实验评估之前进行预测。 本研究探讨了碳点作为纳米载体增强ACE稳定性的潜力。利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和紫外-可见光谱（UV–Vis）确认了ACE与碳点复合物的形成和表征，而密度泛函理论（DFT）计算则提供了分子层面的结合相互作用和电子结构信息。通过将光谱表征与计算建模相结合，本研究对ACE与碳点复合物有了全面的理解，并为基于碳点的药物递送系统设计奠定了理论基础。

材料

叶来自泰米尔纳德邦埃罗德地区，用水清洗以去除杂质。叶子经过分离后用于制备碳点。Aceclofenac（Acemiz 100 mg）由Lupin Pharmaceutical公司提供，并从印度泰米尔纳德邦埃罗德的一家当地药店购买。

碳点的合成

碳点的合成采用了我们先前研究中描述的一种环保、无化学试剂的热碳化方法，利用了T. terrestris的叶子[21]。

ACE复合物的合成

5 mL的...

计算细节

用于理论计算的碳点的优化结构来自我们的先前研究[21]。ACE、碳点和ACE复合物的结构是使用r 2 SCAN-3c方法[22][23]和类似导体的极化连续介质模型（CPCM，水）[24]进行优化的。r 2 SCAN-3c方法在计算效率和准确性之间取得了良好的平衡，适用于大型分子系统，并已被用于高级别构象能量的基准测试[25]。所有优化后的几何结构...

碳点、ACE和ACE复合物的合成与表征

我们之前的研究[21]证实，碳点的电子吸收光谱在275 nm和320 nm处有两个明显峰，分别对应于共轭 $\pi \to$ C键的 π∗ 跃迁和 $n\to$ C键的 π∗ 跃迁。在350–550 nm的激发波长范围内进行的光致发光（PL）分析显示，发射峰从502 nm红移至590 nm，表明碳点的发射行为受激发波长影响。

结论

本研究利用多层次计算框架（包括AIM、NBO、IGM、IBSI、HFLD和SAPT0分析）以及实验性的FT-IR和UV–Vis光谱数据，首次对ACE与碳点复合物的相互作用进行了机制解析。我们使用了环保的、由T. terrestris叶子制成的碳点作为aceclofenac的潜在载体，展示了可持续的药物-纳米载体设计方法。研究结果提供了关于电子相互作用、氢键形成和电荷转移的详细见解。

CRediT作者贡献声明

Karthik Krishnasamy：撰写原始草稿、可视化处理、验证、软件开发、实验设计、数据整理、概念构思。Thangavel Subramani：监督工作、软件开发、资源调配、方法选择、实验设计、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

Thangavel Subramani和Karthik Krishnasamy感谢浦那C-DAC的生物信息资源与应用设施（BRAF）为这项工作提供计算支持。