基于壳聚糖-透明质酸水凝胶负载氧化锌的仿生设计及其对水中硝基芳香污染物的可持续还原作用

本综述系统阐述了以壳聚糖（CS）和透明质酸（HA）为模板，通过戊二醛交联构建水凝胶并原位合成氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）的绿色策略。研究证实该复合材料（CS-HA/ZnO NPs）能高效催化硝基芳香化合物还原为胺类衍生物，且具备优异的可回收性（7次循环稳定性）和潜在生物医学应用价值（如抗菌、药物递送等），为可持续纳米催化与环境污染治理提供了创新方案。

　　

亮点

通过壳聚糖-透明质酸（CS-HA）多糖衍生的交联聚合物模板，采用绿色可持续策略合成封装氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）。利用氢键作用形成CS-HA水凝胶，并通过戊二醛交联固定氧化锌纳米颗粒（CS-HA/ZnO NPs）。采用FE-SEM（场发射扫描电子显微镜）、TEM（透射电子显微镜）、EDX（能量色散X射线光谱）、元素映射和ICP-OES（电感耦合等离子体光学发射光谱）等先进技术对制备的CS-HA/ZnO NPs进行了确认。值得注意的是，根据TEM和SEM结果，可获得平均尺寸为30纳米的球形ZnO NPs。CS-HA/ZnO NPs纳米复合催化剂在将各种硝基芳香化合物还原为其伯胺对应物方面表现出优异的活性，即使在水环境中ZnO负载量极低的情况下也是如此。值得注意的是，该催化剂可通过离心简单去除，并重复使用至少7个连续周期，且催化性能损失极小，突显了其在绿色化学中可持续和实际应用的潜力。

引言

纳米技术领域在生物医学领域正在经历显著扩张，这主要归因于纳米颗粒（NPs）独特的物理化学性质。这些材料的一个主要特征是其高比表面积，随着颗粒尺寸的减小而增加。这种扩大的表面积增强了纳米颗粒的反应性，使其在各种应用中更加有效[[1], [2], [3], [4], [5]]。在各种类型的纳米颗粒中，金属氧化物如氧化铈（CeO₂）、氧化铁（Fe₂O₃）、二氧化钛（TiO₂）和氧化锌（ZnO）在一系列生物医学应用中显示出巨大潜力。这些应用包括抗菌和抗癌药物递送、生物传感、细胞成像和光热治疗。特别是，ZnO NPs在生物医学界引起了广泛兴趣[[6], [7], [8]]。这归因于其优异的生物相容性、最小毒性和成本效益高的生产。这些特性使ZnO NPs成为推进各种生物医学技术的有前途的选择[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。

nascent氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）固有的高反应性促进了它们不受控制的聚集，导致形成大的聚集体，从而降低了其功效。因此，必须通过使用适当的稳定剂进行表面功能化来防止这种现象[19]。一种常见策略是用表面活性剂覆盖ZnO NPs，包括聚乙二醇（PEG）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和各种季铵溴化物如CTAB、TEAB和TOAB[20,21]。此外，先前的研究已成功证明了生物聚合物用于此目的；例如，壳聚糖稳定的ZnO NPs已被合成并显示出强大的抗菌性能[[22], [23], [24]]。

如今，催化剂在不同领域具有重要应用[[25], [26], [27], [28], [29]]。特别是它们用于合成不同材料[[30], [31], [32], [33]]。此类催化系统的一个关键应用在于将硝基化合物还原为其相应的胺。这些胺是合成各种工业产品不可或缺的中间体，包括染料、药品、聚合物和农用化学品[[34], [35], [36]]。然而，硝基化合物本身由于其危险性和抗生物降解性，常常构成重大的环境威胁[37]。因此，将它们转化为毒性更低且更具工业价值的胺具有双重目的：减轻环境污染，同时将这些化合物升级回收为有用的化学前体[38,39]。近年来，已开发出各种催化方法以促进这一重要转化。许多这些方法利用硼氢化钠（NaBH₄）作为还原剂，与贵金属催化剂如钯（Pd）、金（Au）和铂（Pt）结合以实现高效转化[[40], [41], [42], [43], [44]]。

基于壳聚糖的混合物质的开发已成为一个突出的研究领域，归因于将这种生物聚合物与组分如导电聚合物、金属纳米颗粒或氧化物材料结合所产生的有利协同效应[45]。利用壳聚糖和透明质酸既定的生物医学属性和有效的稳定特性，我们合理设计了一种交联CS-HA聚合物基质。该基质作为支架，用于原位、生物诱导合成ZnO纳米颗粒，产生了一种CS-HA封装的复合材料（CS-HA/ZnO NPs）。随后利用一系列复杂的分析方法进行了全面表征。最终的CS-HA/ZnO纳米复合材料的催化功效随后在硝基芳烃水相还原为其相应伯胺中进行了评估。该系统表现出显著的催化活性、易于回收性和强大的可重用性，强调了其在环境友好和可持续化学合成中的巨大潜力。

片段章节

CS-HA/ZnO NPs的制备

为创建均匀混合物，将0.1 g每种底物溶解在100 mL水中，并在室温下振荡2小时。此过程产生了一种清洁的CS-HA水凝胶。随后，将反应温度升至80°C，并在搅拌下滴加含水戊二醛稀释液（10 mL，5 wt%）60分钟以促进交联。之后，将醋酸锌二水合物水溶液（0.06 M，30 mL）添加到反应介质中，同时...

CS-HA/ZnO NPs的表征数据

采用可持续环保程序在碱性介质中制备CS-HA/ZnO NPs。壳聚糖-透明质酸水凝胶复合材料由于存在富电子官能团如-OH、-COOH、-NH、-NH₂，能够与锌离子构建配位键[24]，通过将混合物pH逐滴升高至pH=10（NaOH），形成稳定的壳聚糖-透明质酸/ZnO NPs（CS-HA/ZnO NPs）集合（方案1）。为防止...

结论

在我们最近的研究中，我们成功证明了使用壳聚糖和透明质酸聚合物组合，通过戊二醛交联，作为封装氧化锌纳米颗粒的有效封端和稳定剂。制备的CS-HA/ZnO使用各种先进分析技术进行了表征。根据TEM图像，球形图案ZnO NPs的平均直径为20-30纳米，但它们广泛分散且广泛分离，没有...