氨基功能化二氧化硅纳米颗粒在小鼠体内的毒理学评价：功能性纳米材料在食品系统中的安全前景

《Food Research International》：Oral toxicological evaluation of amino-functionalized silica nanoparticles in mice: Safety prospects for functional nanomaterials in food systems

功能性纳米材料因优异界面调控特性在食品工业中应用广泛，但氨基化二氧化硅（SiO?-NH?）在食品蛋白系统中的毒理学效应尚未明确。本研究构建SPI@SiO?-NH?复合体系，通过小鼠短期膳食暴露实验评估其一般健康、免疫应答及代谢稳态影响，发现该体系未引起显著毒性，仅产生轻微免疫激活和代谢扰动，且储存处理会增强此类响应，提示界面状态变化可能调控体内生物学效应。该研究为功能纳米材料在食品系统中的应用安全性提供了实验证据，并强调长期暴露和人体相关评估的重要性。

　　在食品工业中，纳米材料的应用正逐渐扩展，因其独特的物理化学特性，能够显著改善食品的功能性和安全性。其中，硅酸盐纳米材料，尤其是纳米二氧化硅（nano-SiO?），因其优异的物理稳定性和功能性保留能力，被广泛用于食品添加剂，如防结块剂、控释载体和结构改良剂。然而，随着这些材料在食品体系中的应用日益增加，对其生物安全性的关注也随之提升，特别是在长期摄入或高暴露条件下，其潜在的健康风险仍需深入研究。

本研究聚焦于一种功能化的纳米二氧化硅——氨基功能化二氧化硅（SiO?-NH?），并将其与大豆分离蛋白（SPI）结合，构建了一种复合体系（SPI@SiO?-NH?）。通过在小鼠模型中进行短期饮食暴露实验，评估了该复合体系在一般健康、免疫反应和代谢稳态方面的毒性影响。同时，研究还探讨了储存过程中界面特性变化对生物反应的影响。研究结果表明，在短期摄入条件下，SPI@SiO?-NH?表现出良好的生物相容性，未引起明显的毒性反应，仅导致轻微且可控的免疫激活和微小的代谢扰动。此外，储存处理略微增强了这些反应，提示界面状态的变化可能在体内生物效应中起到调节作用。这些发现为评估氨基功能化纳米二氧化硅在食品蛋白基质中的安全性提供了重要的毒理学证据，并强调了储存稳定性、长期暴露以及与人体相关的评估在全面安全性评估中的重要性。

近年来，纳米技术在食品领域的应用迅速增长，特别是在食品微结构调控、包装性能创新以及功能性成分的高效递送方面展现出巨大潜力。然而，尽管纳米材料在技术层面具有广泛的应用前景，其生物安全性问题仍是一个亟待解决的挑战。特别是在长期摄入或高剂量暴露的背景下，纳米材料可能对机体产生潜在的不良影响。因此，有必要对纳米材料的表面化学特性、形态结构以及制备方法进行全面分析，以更好地理解其在体内的命运和安全性。

当前，大多数毒理学研究主要关注未修饰或常规纳米二氧化硅的生物行为，而对表面功能化的纳米二氧化硅，如氨基功能化变体，其口服安全性研究相对较少。值得注意的是，氨基修饰的程度会影响纳米颗粒的表面电荷、聚集状态以及与生物分子的相互作用，从而可能对生物效应产生不同影响。研究表明，氨基功能化可以有效减少由于高表面能引起的纳米颗粒自聚集现象，提高其在改善粉末功能方面的性能。然而，表面化学的变化也可能影响纳米颗粒在体内的分布、代谢途径以及潜在的毒性。例如，一些关于氨基功能化二氧化硅的研究表明，其在体外实验中可能表现出一定的细胞毒性和氧化应激反应，提示表面修饰可能改变其与生物系统的相互作用，进而引发与未修饰二氧化硅不同的安全问题。

与此同时，其他类型的二氧化硅纳米颗粒在口服毒理学评估中也表现出不同的生物反应。例如，具有不同形状的介孔二氧化硅纳米颗粒在小鼠口服后表现出形状依赖的生物分布、器官蓄积以及肾损伤等现象。而不同制造工艺合成的非晶态二氧化硅纳米颗粒则在高剂量下表现出肝脏蓄积，但许多影响在恢复期后是可逆的，表明其口服毒性较低。此外，高剂量的二氧化硅纳米颗粒摄入被报道可能引发肠道氧化应激、上皮细胞凋亡以及炎症反应。这些研究结果表明，纳米二氧化硅的表面化学特性、形态结构和制备方法对其在体内的命运和安全性具有决定性影响。

因此，为了全面评估功能化纳米材料的安全性，有必要对其在不同条件下的生物行为进行系统研究。本研究通过构建SPI@SiO?-NH?复合体系，并在小鼠模型中进行短期饮食暴露实验，评估了其对一般健康、免疫反应和代谢稳态的影响。实验过程中，观察到所有实验组的小鼠均表现出正常的运动能力、光泽的毛发以及无明显异常，表明不同处理方式并未引起明显的健康损害。此外，实验组小鼠的体重持续增长，显著高于对照组，这提示SPI@SiO?-NH?可能具有一定的营养价值，有助于维持小鼠的健康状态。

在免疫反应方面，虽然观察到一些实验组中炎症因子水平的轻微升高和脾脏的轻度增大，但整体反应仍处于可控范围内。这表明氨基功能化二氧化硅在食品体系中的应用可能不会对免疫系统造成显著干扰，但其潜在的免疫激活效应仍需进一步研究。同时，储存处理对生物反应的影响也值得关注，因为界面特性的变化可能在体内产生不同的生物效应，进而影响材料的安全性。

本研究的结论不仅为氨基功能化纳米二氧化硅在食品蛋白基质中的应用提供了实验依据，也为纳米材料的安全性评估方法的建立提供了参考。研究结果表明，在短期摄入条件下，SPI@SiO?-NH?未表现出显著的不良影响，但其长期暴露下的安全性仍需进一步探讨。此外，储存稳定性、长期暴露条件以及与人体相关的评估对于全面了解纳米材料的生物安全性至关重要。因此，未来的研究应重点关注这些方面，以确保功能化纳米材料在食品系统中的安全应用。

本研究的实施得益于多个资助项目的支持，包括山东省重点研发计划（2022CXGC010603）、中国国家重点研发计划（2021YFD2100102）以及国家自然科学基金（NSFC，No. 32172228）。这些资金的投入为研究提供了必要的实验条件和资源，使得研究能够在严格的科学框架下进行。同时，研究团队在实验设计、数据收集与分析、论文撰写与修改等方面均作出了重要贡献，确保了研究的科学性和严谨性。

在实验设计方面，研究采用了小鼠作为动物模型，通过短期饮食暴露实验系统评估了SPI@SiO?-NH?的口服安全性。实验过程中，对小鼠的一般健康状况、血液学参数以及器官功能进行了全面监测，同时结合组织学分析、生化指标和炎症因子检测，深入探讨了功能化纳米材料的潜在毒性机制。这种多维度的评估方法有助于更全面地理解纳米材料在体内的行为及其对机体的影响。

在数据收集与分析方面，研究团队通过系统的实验操作，获取了高质量的实验数据，并采用多种分析方法对数据进行了深入处理。这些数据不仅包括小鼠体重的变化、血液学参数的测定，还包括组织学切片的观察和生化指标的检测。通过综合分析这些数据，研究团队能够更准确地评估SPI@SiO?-NH?对小鼠健康的影响，并揭示其潜在的毒性机制。

在论文撰写与修改方面，研究团队成员分工明确，共同完成了论文的撰写、审阅和编辑工作。其中，Hui Zhang负责论文的撰写、审阅、编辑、可视化、研究设计、数据分析和数据管理；Tong Zhang则参与了论文的撰写、审阅和编辑，同时负责研究设计和数据管理；Jingting Xu主要负责研究方法的设计；Baichong Yang参与了论文的撰写、审阅和编辑，并负责研究方法和可视化工作；Xingyun Peng负责论文的撰写和可视化；Shuntang Guo则负责论文的审阅、编辑、研究指导、资源协调和资金支持。这种高效的协作模式确保了论文的质量和完整性。

本研究的成果不仅为功能化纳米材料在食品领域的应用提供了重要的科学依据，也为未来纳米材料的安全性评估方法的建立提供了新的思路。研究结果表明，氨基功能化二氧化硅在食品蛋白基质中的应用具有一定的安全潜力，但其长期暴露下的安全性仍需进一步研究。此外，储存稳定性、长期暴露条件以及与人体相关的评估对于全面了解纳米材料的生物安全性至关重要。因此，未来的研究应重点关注这些方面，以确保功能化纳米材料在食品系统中的安全应用。

通过本研究，我们不仅获得了关于氨基功能化二氧化硅在食品体系中的安全性的初步证据，还为食品工业中纳米材料的应用提供了新的视角。随着食品科技的不断发展，功能化纳米材料在食品加工、包装和营养递送等方面的应用前景广阔。然而，为了确保这些材料的安全性和有效性，必须对其生物行为进行系统研究，并建立科学、全面的安全性评估体系。本研究的成果将为这一目标的实现提供重要的支持和参考。