Assessment of Interaction and Deformation Energies of Cucurbit[n]urils (where n = 6,7,8) and Bambus[6]uril with a Hydroxyapatite Surface in Composite Biomaterials using Molecular Mechanics
本研究利用分子力学模拟表明，尽管葫芦[8]脲对羟基磷灰石表面表现出最强的结合力，但处于平行取向的竹藤[6]脲在显著的相互作用能与最小的结构变形之间提供了最佳平衡，使其成为稳定复合生物材料功能化的有力候选材料。
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在寻求构建更好的材料以治愈人体组织的探索过程中，科学家们经常向自然界的自身构建模块寻求灵感。羟基磷灰石便是其中一种材料，它是一种构成了我们骨骼和牙齿坚硬结构核心的矿物质。由于它与我们体内现有的物质如此相似，因此成为制造人工植入物和支架（用于帮助组织再生）的理想选择。然而，为了使这些材料在先进医学领域（例如将药物精准递送至特定肿瘤或促进骨骼修复）中真正发挥作用，研究人员需要用其他分子对其进行涂层，以便这些分子能够捕捉到生物靶点。在这项工作中，两个极具前景的候选者是被称为葫芦脲（cucurbiturils）和竹藤脲（bambusurils）的大型环状分子。这些环状分子结构刚性、稳定，且拥有可以容纳其他物质的中空中心，就像微小的分子容器一样。挑战在于，如何准确理解这些环是如何粘附在骨骼材料的矿物表面上的。如果粘附得太松，它们会脱落；如果粘附得太紧或改变了形状，它们可能会失去功能。
来自俄罗斯托木斯克大学的研究团队决定利用一种强大的计算机模拟方法来破解这一谜题。他们没有在实验室中混合化学试剂，而是构建了一个扁平羟基磷灰石晶体片的数字模型，并将这些环状分子放置其上。他们使用了一种称为分子力学的方法，该方法根据原子的物理特性计算原子之间如何相互推拉，以此观察这些环的抓附力有多强，以及在这一过程中环是否会被挤压或扭曲。该研究重点关注了三种尺寸的葫芦脲和一种类型的竹藤脲，测试了它们在垂直于表面站立与平躺在表面时的表现。
模拟结果显示，所有的环状分子都能在羟基磷酸灰石表面形成稳定的附着，但这种结合强度因环的大小和位置的不同而显著变化。最大的葫芦脲，即 CB[8]，表现出最强的抓附力，当垂直于表面站立时，其结合能为 -16.73 kcal/mol。当垂直站立时，竹藤脲分子也抓得很紧，结合能为 -15.07 kcal/mol。然而，这种强大的粘附力是有代价的。CB[8] 环为了贴合矿物表面必须发生最大的形变，需要近 1 kcal/mol 的能量来进行变形。相比之下，较小的环以及平躺着的竹藤脲在改变形状时所需的能量非常少，其中平躺的竹藤脲仅需 0.11 kcal/mol 即可就位。
这种在“抓得紧”与“保持原有形状”之间的权衡是这项工作的核心发现。虽然最大的葫芦脲粘附得最紧，但其显著的形变表明，在需要分子保持精确结构以发挥作用的应用场景中，它可能并非理想之选。竹藤脲，特别是当它平行于表面躺下时，提供了一个更平衡的解决方案。它保持了强大且稳定的连接，结合能为 -13.11 kcal/mol，同时几乎没有改变形状。这表明，在制造那些对分子环完整性要求极高的复合材料时，平躺在羟基磷灰石上的竹藤脲可能是更优越的选择。研究人员发现，羟基磷灰石表面本身相对柔软且具有包容性，允许这些分子在不造成重大结构损伤的情况下安顿下来，但分子的具体取向仍然是平衡稳定性与功能性的关键。
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