【研究背景导读】

    在纳米材料广泛应用于生物医学和环境的背景下，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为一种具有可调电子结构、化学稳定性和生物相容性的工程碳纳米材料，在光催化治疗、靶向药物递送和污染物降解等领域应用前景广阔。然而，其在生物和环境系统中的转化（如化学质子化）会改变表面化学、电荷分布和纳米拓扑结构，进而引发未知的生物毒性风险。尤其当这类材料通过血液接触红细胞时，膜破坏效应可能对健康造成直接威胁。因此，深入理解氮化碳材料在转化过程中的细胞毒性变化及机制，对其安全应用和环境风险评估至关重要。

【文章内容概要】

    近日，广东工业大学环境科学与工程学院冯义平副教授及生态环境与资源学院薛靖川教授合作在Environmental Chemistry and Ecotoxicology期刊上发表题为“Surface protonation amplifies carbon nitride nanosheet-induced phospholipid extraction: Mechanistic insights into enhanced cytotoxicity”的研究论文。该研究系统探究了g-C₃N₄质子化对红细胞的细胞毒性演变，并揭示了其潜在机制。

    研究通过盐酸辅助水热法合成不同质子化程度的质子化氮化碳（p-C₃N₄）样品，结合溶血实验、磷脂吸附实验、分子对接和分子动力学模拟等多尺度方法，揭示了表面质子化对氮化碳膜破坏行为的调控规律。

    结果显示，酸氧化导致g-C₃N₄三嗪环断裂，引入含氧基团（如C=O、C-OH）和伯氨基，SEM观察到g-C₃N₄片层结构破碎，比表面积随质子化程度呈先增后降趋势，Zeta电位分析表明质子化氮化碳表面负电荷减少。细胞毒性实验结果显示，质子化氮化碳的膜破坏能力显著增强，EC50值材料的Zeta电位线性相关（R²=0.97），表明表面电荷是膜破坏的关键因素。光学显微镜观察到红细胞与p-C₃N₄异质聚集导致的膜破裂。值得注意的是，丙二醛（MDA）检测未发现显著脂质过氧化，说明物理性磷脂提取是 p-C₃N₄破坏红细胞膜的主要机制，而非化学氧化作用。

    吸附动力学研究表明，p-C₃N₄对细胞膜磷脂分子1，2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DOPC）的最大吸附量达800 μmol/g，是g-C₃N₄的4.4倍。Freundlich模型拟合显示氮化碳对细胞膜磷脂分子DOPC呈多层吸附特征，且吸附速率常数随质子化程度提高而增大，证实表面质子化修饰增强了氮化碳对磷脂的亲和力。

    分子对接和分子动力学模拟表明，质子化氮化碳与磷脂分子的相互作用由静电引力、疏水力以及与含氧官能团的氢键共同调控，且质子化氮化碳上较大的含氧大孔可与磷脂头部紧密特异性结合，促进脂质提取和膜破坏。

 该研究首次阐明了质子化通过物理-化学协同作用放大氮化碳膜毒性的分子机制，发现表面电荷调控是影响生物相互作用的关键因素，而传统关注的自由基氧化应激在短期暴露中贡献有限。这些认识不仅为碳基纳米材料的转化毒性预测建立了新模型，也为设计低毒性生物材料（如通过控制质子化程度）和开发膜靶向纳米药物（如利用大孔增强磷脂结合）提供了理论支撑。在环境健康领域，研究强调需考虑材料老化过程对生态风险的潜在放大效应，对建立全生命周期纳米产品安全评估框架具有重要启示。

【原文链接】

Yiping Feng, Jiayong Lao, Jingchuan Xue. Surface protonation amplifies carbon nitride nanosheet-induced phospholipid extraction: Mechanistic insights into enhanced cytotoxicity. Environmental Chemistry and Ecotoxicology, 2025, 7, 1169-1171.  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590182625000748

 【期刊介绍】