使用美味猕猴桃（Actinidia deliciosa）果皮提取物合成的绿色Mg掺杂CeO?纳米颗粒的抗菌和抗生物膜活性

《RSC Advances》：Antibacterial and antibiofilm activity of green synthesized Mg-doped CeO 2 nanoparticles using Actinidia deliciosa peel extract

合成绿色CeO?及Mg掺杂CeO?纳米粒子并验证其抗菌活性。采用kiwi peel提取物作为天然还原剂和稳定剂，通过溶胶-凝胶法制备，结合XRD、HRTEM、BET等表征手段证实纳米粒子结构及形貌。Mg掺杂显著提升材料表面缺陷和ROS生成，对MRSA、E. coli、P. aeruginosa的MIC值分别为62.5, 15.63, 15.63 μg mL?1，抑菌圈直径达12-15 mm，且抑制生物膜形成。

　　
本研究聚焦于利用绿色合成方法制备氧化铈（CeO?）及其镁（Mg）掺杂纳米颗粒，并系统评估其抗菌性能与作用机制。首先，研究团队从常见水果猕猴桃的果皮中提取生物活性物质，作为还原剂和稳定剂，通过溶胶-凝胶法成功制备了纯CeO?纳米颗粒和6% Mg掺杂CeO?纳米颗粒。该方法的创新性在于以植物资源替代传统化学前驱体，不仅避免了有毒试剂的使用，还实现了纳米材料的可控合成。

在材料表征方面，X射线衍射（XRD）证实了CeO?的立方萤石结构，并通过衍射峰偏移揭示了Mg2?的掺杂效应。高分辨透射电镜（HRTEM）显示，掺杂纳米颗粒的晶粒尺寸更小（约5-6纳米），且表面缺陷密度显著增加。动态光散射（DLS）分析表明，Mg掺杂有效提升了颗粒的分散性，其水合直径比纯CeO?更小（约119.9纳米），且长期稳定性更好。红外光谱（FTIR）进一步揭示了植物提取物中的酚类、有机酸等成分与CeO?表面的相互作用，形成稳定的保护层。

抗菌性能测试部分，研究选取了甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌（MRSA）、大肠杆菌（E. coli）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）三种临床常见病原体进行评估。通过抑菌圈实验和最小抑菌浓度（MIC）测定发现，Mg掺杂CeO?纳米颗粒展现出显著的广谱抗菌活性。例如，其对MRSA的MIC值为62.5 μg/mL，抑菌圈直径达12毫米，较纯CeO?提升约2倍。特别值得注意的是，该材料对革兰氏阴性菌（E. coli和P. aeruginosa）的MIC值仅为15.63 μg/mL，显示出更强的穿透性和杀菌效果。

作用机制研究揭示了多途径协同杀菌效应。首先，Mg2?的掺杂导致晶格收缩和氧空位浓度增加，这直接提升了材料的光催化活性。在紫外可见光谱分析中，掺杂材料的带隙能（2.8 eV）较纯CeO?（2.9 eV）略有降低，但更关键的是其光生电子-空穴对的复合效率显著提高。其次，扫描电镜（SEM）观察到细菌细胞膜在纳米颗粒处理后出现明显破裂和孔洞，证实物理破坏作用。第三，荧光探针检测显示，Mg掺杂CeO?能诱导细菌内源性ROS（活性氧）浓度激增，其中羟基自由基（·OH）和超氧阴离子（O??·）通过氧化损伤细菌的DNA、蛋白质和脂质膜。值得注意的是，该材料对生物膜抑制率高达85%（100 μg/mL浓度下），这与其破坏生物膜形成的多糖基质密切相关。

与传统方法相比，本研究的绿色合成路线具有多重优势：其一，利用废弃猕猴桃果皮作为原料，符合循环经济理念，且成本仅为传统化学合成的1/5；其二，通过植物多酚和有机酸的自发还原作用，实现了Ce??到Ce3?的高效还原，避免了高温煅烧导致的晶型失稳；其三，表面修饰的有机分子（如茶多酚）在稳定纳米颗粒的同时，还能通过疏水-亲水平衡增强与细菌膜的相互作用。

该研究为处理耐药性感染提供了新思路。例如，Mg掺杂CeO?对MRSA的抑制效果优于常规抗生素（如 Kanamycin的MIC为3.12 μg/mL），但需注意纳米材料的使用浓度需控制在安全范围内（本实验最大有效浓度为100 μg/mL）。此外，材料的多功能特性（抗菌、抗生物膜、氧化应激诱导）使其在伤口敷料、医疗包材等场景具有潜在应用价值。

从技术发展角度看，本研究填补了植物源掺杂CeO?纳米材料的研究空白。前期文献主要关注金属离子掺杂（如Co、Ag、Nd）或合成方法改进（如水热法、共沉淀法），而本团队首次系统揭示了镁离子掺杂对材料抗菌性能的强化机制。实验数据表明，Mg的引入不仅提升了氧空位浓度（XRD证实晶格间距从3.124 ?降至3.117 ?），还通过改变表面电荷（zeta电位从7.38 mV升至8.0 mV）增强了与细菌膜的静电相互作用。

值得注意的是，研究团队通过对比实验排除了其他干扰因素。例如，MgO纳米颗粒的抗菌活性仅为纯CeO?的60%，证实了CeO?基质的重要性。同时，体外实验显示纳米颗粒与细菌接触后30分钟内即可启动ROS生成，2小时内完成主要杀菌作用，这为临床应用提供了时间窗口参考。

在环境安全性方面，BET测试显示Mg掺杂CeO?的比表面积（52 m2/g）显著高于纯CeO?（34 m2/g），但SEM观察表明其表面多孔结构可有效负载并缓慢释放抗菌成分，避免了短期高浓度带来的细胞毒性。此外，长期稳定性测试（90天后）显示，纳米颗粒的分散性和活性保持率超过90%，这对实际应用中的稳定性至关重要。

最后，研究团队提出的“缺陷工程”合成策略具有普适性。通过调整掺杂浓度（如从6%扩展到10%），可获得抗菌活性更优的材料，同时利用EDS元素映射技术证实了镁元素在纳米颗粒中的均匀分布（原子占比14.25%），这为工业化生产提供了可行性基础。

总体而言，该研究不仅开发出一种新型环保纳米抗菌剂，更建立了从材料合成到性能评估的系统方法论，为后续开发多功能纳米药物载体奠定了理论基础。其创新性体现在三个方面：首次将镁离子掺杂与植物绿色合成结合；首次揭示表面多酚-金属络合物对稳定性和活性的协同作用；首次系统阐明纳米颗粒对生物膜的破坏机制及其与耐药菌的相互作用。这些发现对控制医院感染、开发新型抗菌材料具有重要参考价值。