从溶剂化到吸附：对纯scCO?及scCO?/纤维二糖体系中甲芬那酸构象行为的全面分子动力学研究

《Journal of Molecular Liquids》：From solvation to sorption: a comprehensive molecular dynamics study of mefenamic acid conformer behavior in pure scCO 2 and scCO 2/cellobiose systems

基于超临界CO2和纤维素糖系统的分子动力学模拟，研究了甲芬那酸（MFA）的溶解及吸附行为。经典MD计算表明，MFA的C2a构型在低温高密度scCO2中最稳定，溶剂化能力与温度、密度显著相关。首次通过ab initio MD揭示了MFA在三元系统中的构象动态：纤维素糖通过氢键稳定b型构型并限制其旋转，直接导致O-H/N-H振动光谱红移，为药物递送系统设计提供分子机制。

　　

D.L. 格里娜 | K.A. 法什切夫斯基 | 尤·A. 布德科夫 | M.G. 基谢列夫

俄罗斯科学院G.A. 克列斯托夫溶液化学研究所多尺度分子系统建模实验室，1阿卡德米切斯卡亚街，伊万诺沃153045，俄罗斯联邦

摘要

采用经典分子动力学（MD）和从头算（ab initio）方法模拟了美芬那酸（MFA）分子在超临界CO₂（scCO₂）及scCO₂/纤维二糖体系中的溶剂化和吸附行为。通过经典MD结合化学转化方法，计算了四种稳定MFA构象在scCO₂中的溶剂化自由能（ΔG_solv），研究范围为密度等值线ρ = 1.1ρ_c和ρ = 1.69ρ_c，温度区间为333–483 K。研究发现，介质的溶剂化能力和构象选择性在高温低密度条件下达到最大，其中C2a构象具有最高的热力学稳定性。首次利用从头算MD方法研究了MFA在三元体系（MFA/scCO₂/纤维二糖，以纤维二糖作为纤维素模型片段）中的构象偏好、局部结构及振动态密度谱，与二元体系（MFA/scCO₂）进行了对比。从头算模拟成功揭示了通过芳香片段旋转实现的MFA a型和b型构象之间的转换，这直接解释了为何在核磁共振（NMR）和红外光谱（IR）实验中这两种构象难以区分。纤维二糖的存在稳定了b型构象，限制了MFA的旋转自由度，并主要通过羧酸基团诱导了定向氢键的形成。氢键的形成与振动态谱中O–H/N–H伸缩振动的红移之间存在直接关联。这些结果阐明了浸渍过程的分子机制，将MFA构象在scCO₂中的热力学行为与其与纤维素表面的特定相互作用联系起来。

引言

超临界二氧化碳（scCO₂）已成为现代制药技术中一种独特且环保的溶剂。其可调的溶剂化能力、低粘度、高扩散性和易于去除的特性使其特别适合用于颗粒结晶、固体分散体的制备、活性药物成分（API）在聚合物基质中的浸渍以及药物微粉化等过程[1]。特别是，基于scCO₂的技术为改善难溶性药物的生物利用度、稳定其亚稳态多晶型以及设计可控释放系统提供了有力手段[3]。 基于纳米结晶纤维素（NCC）的气凝胶作为生物相容性和可生物降解的载体基质，在生物医学应用和药物输送方面展现出巨大潜力[4][5]。其优势不仅在于具有较大的比表面积、发达的多孔结构以及丰富的功能基团，这些特性有助于有效负载和可控释放API[6][7][8][9]，还在于其高吸水能力和良好的质地特性。使用scCO₂进行浸渍是装载这类材料的最有前景的方法之一，这一方法在气凝胶的合成和后续装载过程中均已被证明有效。该方法能够保持材料的多孔结构，并有助于均匀掺入热不稳定化合物，同时不会破坏其精细的形态。例如，Lopes等人使用scCO₂对通过相同方法合成的离子液体干燥得到的纤维素气凝胶进行了浸渍（40°C，10 MPa，24小时）[7]，所得负载量（高达50%重量）超过了硅胶和海藻酸气凝胶的记录[10]。这种优异的性能归因于纤维素气凝胶较大的比表面积和孔隙体积，表明浸渍过程是由表面驱动的。重要的是，处理后纤维素纤维的形态得以保持，这直接证实了scCO₂方法的温和性。 美芬那酸（MFA）是一种非甾体抗炎药，属于生物制药分类系统（BCS）II类（溶解度低，渗透性高），是这类化合物的典型代表。对于这类化合物而言，提高溶解度和溶出速率至关重要[11]。然而，浸渍过程的效率及最终复合材料的性质在很大程度上受三元体系（药物/气凝胶/超临界流体）中分子尺度相互作用的影响，而这些基本机制尚未得到充分理解。 一个特别的挑战是考虑像MFA这样的药物分子的构象多态性。作为一种柔性分子，MFA可以存在于多种稳定构象中。四种最稳定的MFA构象在羧酸基团（二面角Φ）和二甲苯基取代的苯片段（二面角Ψ）的旋转方式上存在差异（见图1[12]）。这些不同的构象在偶极矩、极化率及功能基团的空间排列上存在显著差异，进而决定了它们与溶剂分子及载体基质功能基团的相互作用方式。因此，不同构象对总体溶解度、吸附性质及在载体中的固定效率的贡献可能会有本质差异。在热力学建模和分子机制分析中忽略这一因素可能是导致误差的重要原因[13]。 因此，需要采用综合方法来合理设计超临界浸渍过程和定制化的药物输送系统。首先，必须确定不同MFA构象在scCO₂介质中的热力学稳定性，涵盖操作温度和压力范围。这一步骤有助于识别接触载体基质之前溶液中存在的主要分子形式。其次，需要从原子层面理解这些主要（或替代）构象与载体表面的相互作用，因为这种相互作用决定了它们的浸渍机制和效率。 为实现第一个目标，本研究计算了MFA在scCO₂中的溶剂化自由能（ΔG_solv），从而定量评估了它们的相对热力学稳定性和超临界介质的构象选择性。 为实现第二个目标，我们采用了从头算MD方法来研究受限环境中的分子相互作用。由于需要模拟依赖于电子结构的性质，而这些性质无法通过使用固定原子电荷的参数化力场进行经典模拟，因此选择了这种计算密集型方法。从头算MD能够直接描述化学键合、极化及其随时间的变化，这对于准确模拟氢键的形成、振动态密度（VDOS）和超快构象转换至关重要。这些能力使得分子间相互作用、VDOS和分子动力学之间能够建立直接关联，这对于解释实验数据至关重要。鉴于从头算MD的高计算成本，选择了含有纤维素关键功能基团的葡萄糖二聚体——纤维二糖（见图1）作为NCC表面的化学相关且计算上可行的模型[14][15]。这种方法为分析MFA在纤维素界面处的结构、振动和构象变化提供了严格的第一性原理基础。 尽管已有大量关于纯scCO₂[16][17]、其中的溶液[18][19]以及多相系统[20][21][22][23]的建模研究，但将API构象状态的热力学分析与三元体系（API/scCO₂/载体）的详细从头算建模相结合的综合性研究仍然非常少见。因此，我们期望本研究的结果能够填补这一知识空白，并为超临界浸渍过程的合理设计提供坚实的分子框架。

经典分子动力学方法计算的溶剂化自由能

MFA构象的溶剂化自由能（ΔG_solv是使用Gromacs-5.0.7软件包中的Bennett Acceptance Ratio（BAR）方法计算的[25]。计算遵循标准的化学转化协议，通过耦合参数λ逐步开启MFA分子与其环境的相互作用，该参数的范围从0（无溶剂）到1（完全相互作用）。为确保准确性和平滑过渡，使用了15个独立的...

MFA构象的溶剂化自由能

在密度等值线ρ = 1.1ρ_C和ρ = 1.69ρ_C下，观察到ΔG_solv具有明显的温度依赖性（见图3）：随着温度升高，ΔG_solv的值变得不那么负。MFA构象的ΔG_solv随温度升高而增加的现象与由焓贡献主导的过程的经典行为一致。溶剂化可以视为能量上有利的溶剂-溶剂相互作用与熵上不利的有序排列之间的竞争...

结论

本研究结合了基于经典MD的溶剂化自由能计算和详细的从头算MD模拟，深入了解了美芬那酸在scCO₂中的行为及其与纤维素基载体的相互作用。 热力学分析显示，MFA构象的溶剂化强度依赖于scCO₂的状态参数。在333 K和403 K的温度下... D.L. 格里娜：撰写——原始草稿，可视化，方法学，实验研究，形式分析。 K.A. 法什切夫斯基：可视化，实验研究。 尤·A. 布德科夫：撰写——审稿与编辑。 M.G. 基谢列夫：撰写——审稿与编辑，监督，资源管理，项目统筹。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

M.K.、Y.B.和D.G.感谢俄罗斯科学基金会（资助编号：22-13-00257-P）。计算工作是在NRU HSE提供的超级计算机设施上完成的。