每日讯息!经典方法聚焦前沿热点–多学科交叉创新的化学热力学

2022-09-24 22:03:08 来源：科普中国

化学热力学是物理化学和热力学的一个分支学科，它主要研究物质系统在各种条件下的物理和化学变化中所伴随着的能量变化，从而对化学反应的方向和进行的程度做出准确的判断。化学热力学与我们息息相关，例如，生物进化是由单细胞向多细胞、从简单到复杂、从低级向高级进化，也就是说向着更为有序、更为精确的方向进化，从化学热力学角度解释这是一个熵减的方向。因此，化学热力学的研究方法可为化学、材料学、食品学、药学、医学、生命科学等多学科的交叉融合提供有力武器。接下来以化学热力学在药剂和食品领域的应用做一简单介绍。

一、化学热力学在药剂学领域的应用

爷爷每天要吃降高血压的药片，药瓶标签上写着：0.1mg（毫克）×60片；医生的药方上写着：每天3次，每次0.2mg。算一算，一瓶药可以吃几天？

(资料图)

这是一道简单的计算题，也是大家吃药时大夫叮嘱的按时按量服药。可大家想过0.1mg是指药片的质量吗？其实是指药片中药物活性成分（API）的质量。一粒药中除了活性成分（如阿司匹林中的乙酰水杨酸）外，更多的是淀粉、糊精等辅料。辅料在制剂中起到填充剂、润滑剂、增溶剂等作用。特别值得一提的是约三分之一以上的口服药物为水难溶性药物，为提高药物的溶解度以利于人体吸收采取的策略之一为包合技术，即药物分子被包封于另一种分子结构内形成包合物。常见的包封材料如环糊精、聚合物、蛋白、新型纳米材料等。例如环糊精独特的桶状结构使其内部形成疏水性空腔，能包封一定大小和形状的疏水性小分子，形成稳定的非共价复合物，以提高药物的溶解度。

再如最新报导智能型DNA纳米机器人或将成为癌症克星，未来或将在血管内直接杀死癌细胞。而环糊精与DNA纳米机器人等载体载药主要依靠其与药物之间的非共价相互作用，由化学热力学方法所得的结合位点数、结合常数、焓变、熵变等热力学参数直接反映了药物的加载量及疗效，可为研发新型的药物载体及制剂提供强有力的理论指导。

图1.主动靶向癌细胞的DNA纳米机器人

图2. 环糊精包合药物小分子的热力学和分子模拟研究

二、化学热力学在食品领域的应用

奶茶已成为当代年轻人所喜爱的主流饮品。一般来说，正宗奶茶都是由牛奶、茶叶、糖烹制而成，还可添加其他天然物质以改善其口味和营养价值。绿茶、葡萄等植物中含有多种有益人体健康的多酚类物质。但多酚类化合物的物理化学不稳定性极大地限制了它们在食品和医药领域的应用。蛋白包封可有效提高多酚类物质的稳定性和生物利用度。通过定量获取蛋白和多酚之间相互作用的热力学参数，可有效关联微观结构-热力学参数-活性效果，为功能食品的进一步开发提供理论支撑。

图3. 基于热力学指导的牛奶包封的联合活性成分（封面文章）

导师简介

刘敏，博士，教授，硕士研究生导师，济南大学博士研究生导师，聊城大学“光岳英才”第一层次。长期致力于化学热力学与药学、生物学和医学等多学科的交叉融合，主要从事难溶性药物的缓控释、天然活性成分的包封以及联合药物的协同作用研究。主持国家自然科学基金课题3项，省自然科学基金面上项目、重点研发计划与省协同创新中心开放课题各1项，在国内外有较大影响的专业学术期刊上首位或通讯联系人发表论文100余篇，申请发明专利多项。获山东省高等学校科学技术奖多项。指导的多名研究生获得国家奖学金或继续攻读博士。

招生专业：物理化学

关键词：化学热力学活性成分热力学参数