基于木栓质和木质素的纳米颗粒的体外安全性和生态毒性测试

《Industrial Crops and Products》：In vitro safety and ecotoxicity tests of suberin- and lignin-based nanoparticles

本研究以生物基材料合成的三种纳米颗粒（SNPs、LNPs、TOFA-LNPs）为对象，通过体外细胞毒性、皮肤敏感性和腐蚀性测试，以及生态毒性实验（藻类抑制、水蚤急性与慢性毒性、蚯蚓急性毒性），评估其安全性。结果表明：LNPs和TOFA-LNPs在特定浓度下显示皮肤敏感化，但整体对皮肤无腐蚀或刺激性；所有纳米颗粒对水生生物（藻类、水蚤）具有毒性，但对蚯蚓无毒。LNPs和TOFA-LNPs表现出高抗菌和抗氧化活性，与酚类含量相关。研究证实生物基纳米颗粒作为纺织和包装涂层的替代化石基材料潜力，但需进一步评估长期生态影响及欧盟法规合规性。

　　生物基纳米颗粒在纺织品和纤维基包装材料中的应用前景广阔，它们可以改善材料的功能特性。然而，在这些纳米颗粒进入欧盟市场之前，必须对其化学安全性进行全面评估。本研究重点评估了三种生物基纳米颗粒——水解亚erin（SNPs）、软木硫酸盐木质素纳米颗粒（LNPs）以及高油酸酯化软木硫酸盐木质素（TOFA-木质素，TOFA-LNPs）的生物活性、潜在生态毒性和毒性。这些纳米颗粒的浓度被设定为适用于纺织品涂层的水平，以进行细胞毒性、皮肤致敏性、腐蚀性和刺激性等体外测试。同时，对生态毒性进行了评估，包括对藻类的抑制、水蚤（Daphnia sp.）的急性不动性、水蚤繁殖以及对蚯蚓的毒性。此外，还测试了这些纳米颗粒的抗菌性能和抗氧化活性，以评估其在食品包装等应用中的潜力。

在欧盟化学战略的框架下，所有市场上的物质都需要经过严格的测试，以确保其对人类和环境的安全性。因此，本研究旨在通过标准化测试，评估这些纳米颗粒的毒性与生态毒性，同时分析其抗菌和抗氧化性能。研究结果表明，这些纳米颗粒在所研究的浓度范围内对细胞毒性、皮肤刺激性和腐蚀性测试显示安全。然而，LNPs在70.31 μg/mL浓度下显示出皮肤致敏性，而TOFA-LNPs在125 μg/mL浓度下也显示出类似效应，但SNPs未表现出皮肤致敏性。生态毒性测试结果显示，所有水溶性纳米颗粒分散液均对藻类和水蚤产生影响，但对蚯蚓没有毒性。LNPs和TOFA-LNPs表现出较高的抗菌和抗氧化活性，这可能与其较高的总酚类物质含量有关。相比之下，结构更复杂的SNPs在两种测试中均表现出较低的活性。这些结果表明，所研究的纳米颗粒是化石基和更有害化学物质的潜在替代品，可以用于纺织品的生物基涂层，从而提高环境可持续性。

生物基材料在环境可持续性方面具有重要意义，它们可以替代传统化石基化学品。然而，值得注意的是，即使从可再生生物质中获得的生物基材料也不一定比合成化学品更具环境可持续性。因此，必须通过透明和可信的方法对这些材料的生产过程进行环境影响评估，以确定其是否真正带来环境优势。一个重要的可持续性元素是减少化学物质对生态系统健康的影响，正如Owsianiak及其同事最近提出的关于全球推荐中化学品生态毒性的特征化。

LNPs和SNPs因其在创造可持续和保护性疏水表面方面的潜力，被认为是替代有害化石基化合物的有希望的物质。在本研究中，这些纳米颗粒被制备出来，并通过标准化测试进行评估。为了确保其安全性，需要对其潜在的生态和健康影响进行研究。此外，随着生物基材料的不断发展，它们的生命周期环境影响评估也变得至关重要。这些数据可以用于REACH和CLP评估，以确保这些物质对人类健康和环境的安全性。同时，这些数据还可以为未来生物基材料的环境影响评估提供支持，从而推动更可持续材料的长期发展。

在实验方法方面，本研究使用了多种技术来分析纳米颗粒的性质。例如，通过动态光散射（DLS）技术，可以测量纳米颗粒在水性分散液中的流体力学尺寸，从而评估其物理特性。此外，使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）来研究纳米颗粒的表面形态，以了解其微观结构。这些方法能够提供关于纳米颗粒尺寸、形状和表面特性的重要信息，这对于其在不同应用中的性能至关重要。

在体外毒性测试中，采用了OECD指南规定的测试方法，包括细胞毒性测试、皮肤致敏性测试、皮肤腐蚀测试和皮肤刺激性测试。这些测试方法能够评估纳米颗粒对细胞和皮肤的影响。在细胞毒性测试中，使用了小鼠成纤维细胞系（BABL 3T3 clone A31）作为研究材料。测试结果显示，纳米颗粒在所研究的浓度范围内对细胞毒性测试没有显示出显著的毒性。然而，在皮肤致敏性测试中，LNPs和TOFA-LNPs在特定浓度下显示出致敏性，而SNPs则未表现出致敏性。这表明，在特定浓度下，LNPs和TOFA-LNPs可能对皮肤产生不良影响，而SNPs则相对安全。

在生态毒性测试中，采用了多种标准测试方法，包括对藻类的抑制测试、水蚤的急性不动性测试、水蚤的繁殖测试以及蚯蚓的毒性测试。这些测试方法能够评估纳米颗粒对水生和陆生生物的影响。结果显示，所有纳米颗粒分散液均对藻类和水蚤产生影响，但在所研究的浓度范围内对蚯蚓没有毒性。这意味着，这些纳米颗粒在特定的生态测试中显示出一定的生态风险，但在土壤环境中可能相对安全。

在抗菌性能测试中，研究了纳米颗粒对革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）的影响。结果显示，TOFA-LNPs在所有测试浓度下均表现出较高的抗菌活性，而LNPs也显示出较高的抗菌活性。相比之下，SNPs的抗菌活性较低，这可能与其较大的颗粒尺寸和较低的反应表面积有关。此外，亚erin的结构中含有芳香和脂肪族部分，这可能影响其抗菌性能。由于这些纳米颗粒的抗菌活性较高，因此它们在纺织品和包装材料中的应用前景广阔。

在抗氧化活性测试中，使用了FRAP和ORAC两种方法。FRAP测试结果显示，LNPs和TOFA-LNPs均表现出较高的抗氧化活性，而SNPs的抗氧化活性较低。ORAC测试的结果则显示，TOFA-LNPs的抗氧化活性显著低于LNPs。这表明，TOFA-LNPs的抗氧化性能可能受到其结构和组成的影响。此外，TOFA-LNPs的总酚类物质含量较高，这可能是其表现出较高抗氧化活性的原因。然而，SNPs由于其复杂的结构，表现出较低的抗氧化活性。

在总酚类物质含量的测定中，采用了Folin-Ciocalteu方法。结果显示，LNPs和TOFA-LNPs均表现出较高的总酚类物质含量，而SNPs的总酚类物质含量较低。这进一步支持了LNPs和TOFA-LNPs较高的抗菌和抗氧化活性的结论。然而，SNPs的低活性可能与其结构复杂性有关，这使得其在实际应用中可能不如LNPs和TOFA-LNPs有效。

本研究的结果表明，生物基纳米颗粒在安全性方面具有一定的优势，但其生态影响仍需进一步研究。为了确保这些材料的广泛应用，必须对其潜在的生态和健康影响进行更深入的评估。此外，这些纳米颗粒的制备和应用方法也需要进一步优化，以提高其性能和减少其对环境的潜在影响。通过这些研究，可以为开发更环保的纺织品和包装材料提供科学依据，同时为欧盟化学法规的实施提供支持。