酸性水溶液及酸性人工唾液中环糊精(Cyclodextrins, α-CD、β-CD、γ-CD)与氯化钴(Cobalt Chloride, CoCl2)的耦合扩散：一种实验研究方法

《Journal of Chemical & Engineering Data》：Coupled Diffusion of Cyclodextrins and Cobalt Chloride in Acidic Aqueous Solutions and Acidic Artificial Saliva: An Experimental Approach

　　

鉴于口腔内生物医学合金释放钴离子(Co2+)已被证实，了解含环糊精(Cyclodextrins, CDs)体系中氯化钴(Cobalt Chloride, CoCl2)的传输过程对于潜在的解毒去除处理至关重要。本研究采用泰勒分散分析(Taylor Dispersion Analysis, TDA)于298.15 K、pH 4条件下，考察了Co2+离子（以氯化物形式存在）与α-环糊精(α-CD)、β-环糊精(β-CD)及γ-环糊精(γ-CD)在水及人工唾液(Artificial Saliva, AS)中的相互作用，以此作为降低离子生物利用度(bioavailability)的策略。结果分析表明，β-CD和γ-CD与Co2+离子形成1:1超分子络合物(supramolecular complex)，而α-CD未检测到明显结合。结合常数(association constant, Ka)估算为：水中β-CD的Ka= 30.0 ± 0.6 dm3·mol–1，γ-CD的Ka= 30.0 ± 0.5 dm3·mol–1，两体系吉布斯自由能变(Gibbs free energy change, ΔG)均为?8.4 kJ·mol–1；人工唾液中β-CD的Ka= 30.0 ± 0.6 dm3·mol–1(ΔG = ?8.4 kJ·mol–1)，γ-CD的Ka= 40.0 ± 0.5 dm3·mol–1(ΔG = ?9.1 kJ·mol–1)。基于上述发现，β-CD和γ-CD可作为降低溶液中游离Co2+离子浓度的候选物质。

本文发表于《Journal of Chemical & Engineering Data》(JCED)。

研究背景与意义

钴铬(Co–Cr)合金广泛用于牙科修复体及正畸器械，但口腔复杂环境（特别是酸性条件如pH降至4时，源于致龋菌发酵、酸性饮料摄入或胃食管反流）可促进合金腐蚀与磨损，释放具有细胞毒性及CMR（致癌、致突变、生殖毒性）分类的钴离子(Co²⁺)。降低游离Co²⁺的生物利用度是口腔生物材料安全性研究的重要方向。环糊精(Cyclodextrins, CDs)系由葡萄糖单元通过α-1,4-糖苷键连接形成的环状低聚糖，具有疏水空腔可包结客体分子形成超分子络合物(supramolecular complex)，有望络合金属离子。目前缺乏CoCl₂与CDs在酸性水或人工唾液中的三元互扩散系数数据，本研究旨在通过质量传输研究探讨二者相互作用及降低Co²⁺生物利用度的潜力。

主要关键技术方法

研究人员采用Taylor分散分析(Taylor Dispersion Analysis, TDA)于298.15 K测定CoCl₂(组分1)+CDs(组分2，α/β/γ-CD)在酸化水及酸化人工唾液(pH 4.0)中伪三元(pseudoternary)体系的表观三元互扩散系数(apparent ternary mutual diffusion coefficients, D_11a、D_12a、D_21a、D_22a)，通过拟合三元分散方程获取参数；采用¹H核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, ¹H NMR)光谱分析β-CD在有无Co²⁺存在下的化学位移变化以佐证结合作用及计算结合常数(association constant, K_a)；基于Paduano等提出的含CD包结络合物三元体系模型，假设1:1络合平衡，利用实测扩散系数与理论曲线比对估算K_a值及吉布斯自由能变(ΔG)。

研究结果

3. Results and Discussion

分析表观三元互扩散系数数据表明：所有体系中主扩散系数D_11a(CoCl₂)高于D_22a(CDs)，归因于CDs为大分子、迁移率低于小分子CoCl₂物种。CoCl₂/α-CD体系的表观交叉扩散系数(cross-diffusion coefficients, D_12a、D_21a)接近零且在实验误差范围内，表明无显著相互作用。CoCl₂/β-CD与CoCl₂/γ-CD体系中D_12a为负值，表明CD浓度梯度诱导CoCl₂逆向通量(counter-transport)，即反向传递现象，提示中等强度相互作用导致超分子络合物形成，降低了游离Co²⁺浓度并产生补偿性逆向扩散通量；D_21a则呈正值。D_12a/D_22a与D_21a/D_11a比值显示低Co²⁺/CD摩尔比时间互作更显著。人工唾液中D_11a与D_22a普遍高于水介质，受人工唾液基质影响；CoCl₂/β-CD与CoCl₂/γ-CD在人工唾液中D_12a仍为负但绝对值与水中相当，α-CD体系在两介质中D_12a、D_21a均为正值且D_21a较大，归因于人工唾液离子强度引发扩散电势场及静电耦合(ion–dipole interaction)或盐析效应(salting-out effect)与质子化竞争。通过1:1络合模型拟合实验扩散系数，水中及人工唾液中CoCl₂/β-CD最适K_a≈30 dm³·mol^–1，CoCl₂/γ-CD水中K_a≈30、人工唾液中K_a≈40 dm³·mol^–1。¹H NMR显示加入Co²⁺后β-CD各质子信号均发生高场位移(upfield shift)，提示非选择性长程顺磁各向异性作用，拟合得K_a= 34 ± 6 dm³·mol^–1，与TDA结果吻合。α-CD因腔径较小无法有效包结六水合钴离子[Co(H₂O)₆]²⁺，故无显著结合。

4. Conclusions（研究结论翻译）

等温扩散研究强调了β-CD和γ-CD作为潜在减缓水溶液中及pH 4.0人工唾液中Co²⁺离子的缓释剂的作用。表观交叉扩散系数(D_12a)的负值表明可能由于超分子络合物形成引起耦合通量。这些结果佐证了环糊精能与离子建立主-客体(host–guest)型相互作用，强化其作为生物系统中离子释放调节因子的潜力。在人工唾液中虽表观三元扩散系数行为与水介质有差异，但CoCl₂/β-CD与CoCl₂/γ-CD体系D_12a仍为负值，证实即便在更复杂的生物环境中这两种环糊精仍与Co²⁺保持一定程度相互作用。这支持基于环糊精策略可降低生物医学应用金属合金释放Co²⁺离子生物利用度的可行性。水中CoCl₂/β-CD与CoCl₂/γ-CD体系结合常数K_a分别约30与30 dm³·mol^–1；人工唾液中CoCl₂/β-CD体系K_a≈30 dm³·mol^–1，CoCl₂/γ-CD体系K_a略高于40 dm³·mol^–1。两介质中CoCl₂/α-CD体系均无显著相互作用。由K_a算得水中β-CD–Co²⁺与γ-CD–Co²⁺的ΔG = ?8.4 kJ·mol^–1，人工唾液中β-CD–Co²⁺的ΔG = ?8.4 kJ·mol^–1、γ-CD–Co²⁺的ΔG = ?9.1 kJ·mol^–1，表明相互作用是自发的且热力学有利。综上，β-CD与γ-CD具潜力作为减轻具细胞毒性游离钴离子释放的制剂，但其临床转化需进一步体外与体内研究验证效力及生物安全性。