微藻介导的功能化金纳米颗粒的合成及其高光热稳定性

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Microalgae-Mediated Synthesis of Functionalized Gold Nanoparticles with High Photothermal Stability

表面修饰金纳米颗粒的绿色合成及其光热治疗潜力

　　金纳米颗粒（AuNPs）因其独特的物理化学特性，在生物医学领域展现出了巨大的应用潜力。它们具有局域表面等离子体共振（LSPR）效应，能够有效地将光能转化为热能，因此在光热治疗（PTT）中被认为是一种有前景的材料。然而，AuNPs在实际应用中面临诸多挑战，尤其是它们容易发生聚集，导致胶体稳定性差，这在一定程度上限制了其在生物医学、工业催化以及环境治理等领域的应用。为了解决这一问题，研究人员探索了一种基于微藻的绿色合成方法，以提高AuNPs的稳定性并减少对环境的不良影响。

本研究采用了一种“一锅法”来合成AuNPs，利用了两种微藻——热耐受微藻*Coelastrella thermophila*（CT）和FDA批准的蓝藻*Arthrospira* sp.（SP）的水提取物作为还原剂和稳定剂。通过调节反应条件，如微藻提取物与氯金酸（HAuCl?）的体积比、HAuCl?浓度、反应温度、反应时间和pH值，成功制备了具有不同形态和尺寸的AuNPs。这些AuNPs具有近似球形的结构，其水动力学直径分别为26.8 ± 10.3 nm、19.2 ± 6.1 nm和11.4 ± 3.3 nm，并且表面带有负电荷。这些特性有助于增强其在不同介质中的稳定性。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究发现CT@AuNPs和SP@AuNPs表面存在来自藻类蛋白质、碳水化合物和脂肪酸的官能团。这些官能团在AuNPs的合成过程中起到了重要的稳定作用，使得CT@AuNPs和SP@AuNPs在48小时内保持良好的胶体稳定性，而传统方法合成的Chem@AuNPs则表现出较差的稳定性。此外，这些AuNPs在连续绿色激光照射1小时后，能够将溶液温度升高至约8°C，表明其具有较高的光热转化效率。

在细胞毒性方面，CT@AuNPs和SP@AuNPs对Vero细胞的毒性较低，而对HeLa细胞则表现出较强的杀伤能力。在实验条件下，这些AuNPs在绿色激光照射下能够导致约70%的HeLa细胞死亡。通过使用2′,7′-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）和形态学分析，研究推测这种细胞死亡是由LSPR介导的超热效应和活性氧（ROS）的共同作用所致。这表明，AuNPs不仅能够通过光热效应杀死癌细胞，还可能通过ROS诱导的氧化应激影响细胞功能。

在体外光热效能测试中，研究人员使用了多种方法来评估AuNPs对HeLa细胞的影响，包括台盼蓝染色、ROS生成检测和形态学分析。结果显示，AuNPs与激光照射的组合能够显著降低HeLa细胞的存活率，而单独使用AuNPs或激光则效果较弱。这进一步支持了AuNPs在光热治疗中的双重作用机制：一方面通过光热效应产生热量，另一方面通过ROS的生成引发细胞损伤。

研究还指出，CT@AuNPs和SP@AuNPs的稳定性与它们的表面化学特性密切相关。在pH值为12的条件下，AuNPs的尺寸更小且分布更均匀，这可能是由于在碱性环境中，藻类表面的官能团（如羟基、羧基、酰胺基和硫醇基）更容易发生去质子化，从而增强其电子转移能力，促进Au3?的还原并形成更小、更稳定的纳米颗粒。此外，pH值的变化还影响了AuNPs的聚集倾向，较高的pH值有助于减少AuNPs的聚集，提高其在不同介质中的稳定性。

微藻作为生物还原剂和稳定剂，其代谢产物在AuNPs的合成过程中发挥了关键作用。这些代谢产物包括多酚、黄酮类化合物、蛋白质和多糖，它们不仅能够有效还原Au3?，还能通过物理和化学作用稳定AuNPs的表面。研究发现，CT和SP提取物中富含的脂肪酸（如棕榈酸、油酸和亚油酸）可能是AuNPs稳定性的主要来源。这些脂肪酸具有两亲性，其疏水性的碳氢链可以包裹在AuNPs表面，而亲水性的羧酸基团则能够与水环境相互作用，从而防止纳米颗粒的聚集。

此外，研究还探讨了不同AuNPs在不同环境中的表现。CT@AuNPs和SP@AuNPs在水、磷酸盐缓冲液（PBS）和无酚红的DMEM中均表现出良好的稳定性，而在传统方法合成的Chem@AuNPs中，尤其是在PBS和无FBS的DMEM中，纳米颗粒容易发生聚集，导致其稳定性显著下降。这表明，使用微藻提取物作为稳定剂可以有效避免传统方法中需要添加的有毒化学物质，从而实现更加环保和可持续的AuNPs合成。

研究还提到，尽管当前的绿色合成方法已经取得了一定进展，但其具体机制仍然需要进一步探究。通过代谢组学和蛋白质组学的研究，可以更深入地了解哪些代谢产物在AuNPs的合成过程中发挥了主导作用。此外，为了提高AuNPs在体内治疗中的效果，还需要探索如何通过调控纳米颗粒的尺寸和形状，使其LSPR波长更接近近红外区域，以增强其在组织中的穿透能力。

综上所述，本研究通过微藻提取物的绿色合成方法，成功制备了具有优良胶体稳定性和光热性能的AuNPs。这些AuNPs不仅在光热治疗中表现出显著的细胞杀伤能力，而且在环境友好性和生物相容性方面也优于传统合成方法。未来的研究应进一步探索这些纳米颗粒的合成机制，优化其在不同条件下的性能，并拓展其在生物医学及其他领域的应用潜力。