绿色合成氧化锌纳米颗粒的结构与功能表征及其在生物医学应用中的潜力

《Nano-Structures & Nano-Objects》：Structural and functional characterization of green-synthesized zinc oxide nanoparticles for biomedical applications

本研究采用茴香叶提取物绿色合成ZnO纳米颗粒，经XRD、FTIR等表征证实其晶型结构和纳米尺寸（10-30 nm），体外实验显示对结直肠癌LS174T细胞具有显著剂量依赖性毒性（IC50=4.9 μg/mL），优于5-FU（IC50=16.83 μg/mL），机理为ROS介导的凋亡，为新型靶向抗癌纳米平台提供依据。

　　纳米技术在生物医学领域的应用取得了显著进展，尤其是在癌症治疗方面，通过实现精确且高效的药物输送系统，为疾病的诊断和治疗带来了新的可能性。本研究通过一种绿色、环保的方法，利用茴香（Anethum graveolens）叶提取物作为天然的还原剂和稳定剂，成功合成了氧化锌纳米颗粒（ZnO-NPs）。这种合成方法不仅避免了使用有毒化学品，还降低了环境负担，符合现代生物医学对可持续发展的需求。研究还通过多种分析技术，如X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-Vis）和扫描电子显微镜（SEM），对合成的ZnO-NPs进行了表征，确认了其晶体结构、功能基团以及纳米尺度的形态特征，颗粒尺寸范围在10至30纳米之间。这些纳米颗粒在体外实验中被测试其对LS 174T人结肠腺癌细胞的抗癌活性，结果表明其具有剂量依赖性的细胞毒性作用，且其半数抑制浓度（IC??）值仅为4.9 μg/mL，显著低于传统化疗药物5-氟尿嘧啶（5-FU）的IC??值16.83 μg/mL。这种增强的细胞毒性作用主要归因于纳米颗粒的高表面积以及其能够生成活性氧物种（ROS），从而引发细胞凋亡，实现对癌细胞的清除。研究结果表明，由茴香介导的ZnO-NPs是一种具有潜力的绿色工程纳米平台，适用于靶向结肠癌治疗，并提示需要进一步研究其作用机制和临床应用前景。

结肠癌（CRC）是全球范围内最常见的恶性肿瘤之一，位居第三大常见癌症，并且是仅次于肺癌的第二大癌症相关死亡原因。随着全球人口老龄化和生活方式的变化，CRC的发病率持续上升，给全球医疗体系带来了重大挑战。目前，标准治疗方式包括手术切除、放射治疗和化学治疗，这些方法在治疗CRC方面仍然占据重要地位。然而，这些治疗手段往往伴随着严重的副作用，例如化疗药物可能导致耐药性问题，从而限制其长期治疗效果。因此，研究人员正在探索新的治疗策略，如靶向单克隆抗体疗法和纳米医学，以提高治疗的精准性和安全性。纳米医学作为一门快速发展的领域，主要研究如何利用纳米级材料（通常小于100纳米）进行医疗应用，为现代癌症的诊断和治疗带来了深远影响。近年来，通过绿色、环保的方法合成氧化锌纳米颗粒（ZnO-NPs）引起了广泛关注，因其具备良好的生物相容性、成本效益以及较低的环境影响。植物介导的合成方法能够减少对有毒化学试剂的依赖，使其成为生物医学领域的一种优选方案。

茴香作为一种广泛分布于地中海和西南亚地区的植物，具有丰富的药用价值，包括镇静、助消化和抗菌等作用。因此，本研究选择茴香作为ZnO-NPs的合成材料，旨在评估其在抗癌治疗中的应用潜力。纳米颗粒因其高表面积比，显著改善了药物输送系统的靶向性和溶解性，相较于传统化疗药物具有更高的治疗效率。功能化的纳米载体，如脂质体和聚合物纳米颗粒，能够将抗癌药物精准输送至恶性细胞，从而提高治疗效果，同时减少对健康组织的损伤。目前，许多临床试验正在研究基于纳米颗粒的药物输送系统，以提高CRC治疗的疗效和患者生活质量。此外，某些纳米颗粒本身具有直接的细胞毒性作用，能够作为独立的抗癌药物发挥作用。例如，氧化锌纳米颗粒（ZnO-NPs）通过释放锌离子和生成活性氧物种（ROS），能够选择性地杀伤癌细胞，引发细胞凋亡，从而实现对癌症的治疗。锌在细胞稳态中起着重要作用，但其异常调节可能导致细胞损伤和死亡。已有研究表明，ZnO-NPs在CRC细胞中表现出显著的细胞毒性作用，其效果优于其他纳米材料，如银和铝氧化物纳米颗粒。然而，ZnO-NPs的可控降解仍然是一个挑战，需要进一步研究以优化其治疗稳定性与生物可利用性。

近年来，纳米技术的发展使得刺激响应型纳米颗粒的出现成为可能，这些纳米颗粒能够通过光、磁场或机械压力波等外部刺激被激活，从而增强抗癌效果。例如，金、钛氧化物、氧化锌和氧化铁纳米颗粒等已被广泛研究其在抗癌治疗中的应用潜力。研究发现，纳米颗粒能够与机械压力波协同作用，诱导靶向癌细胞的凋亡，从而减少对化学药物的依赖。在这些纳米材料中，金纳米颗粒、金属有机框架（MOFs）、钛氧化物纳米颗粒以及氧化锌纳米颗粒均表现出良好的抗癌效果。基于这些研究进展，本研究评估了ZnO-NPs在结肠腺癌细胞中的细胞毒性潜力，探讨其在诱导癌细胞死亡方面的效果，并确定了适合未来临床应用的最优治疗剂量。

本研究采用的绿色合成方法利用了本地植物的植物化学特性，以实现纳米颗粒的制备。虽然绿色合成方法在生物医学领域展现出广阔的应用前景，但其在工业规模上的可扩展性仍是一个重要挑战。近年来，绿色合成方法在氧化锌纳米颗粒（ZnO-NPs）的制备中受到了越来越多的关注，因其能够提供比传统化学方法更环保、更经济且更生物相容的替代方案。已有许多研究成功展示了不同植物提取物在ZnO-NPs的生物合成中的应用，例如Agathosma betulina、Aspalathus linearis、Acalypha indica和Prunus dulcis等植物均被用于制备具有增强结构、光学和生物特性的ZnO-NPs。此外，其他绿色来源如Sageretia thea和Agathosma betulina也显示出在制备具有抗菌和生物医学潜力的ZnO-NPs方面的前景。植物介导的合成方法通常能够改善纳米颗粒的表面特性，使其粒径更小，并提高其生物活性，因此适用于多种应用领域，如抗菌涂层和癌症治疗。

基于上述研究基础，本研究采用茴香提取物合成ZnO-NPs，重点评估其在结肠癌治疗中的应用潜力。这一领域在茴香介导的绿色纳米技术背景下仍然相对较少被研究，因此本研究的发现具有重要的科学价值和临床意义。通过实验，研究者不仅验证了ZnO-NPs的抗癌活性，还进一步探讨了其在不同治疗条件下的表现，为未来开发更安全、高效的纳米药物提供了理论依据和技术支持。此外，研究还强调了绿色合成方法在纳米医学中的重要性，以及其在解决传统治疗手段局限性方面的潜力。通过探索植物提取物在纳米颗粒合成中的作用，研究人员能够更好地理解自然物质与纳米材料之间的相互作用，为开发新型生物医学材料提供了新的思路和方法。

本研究的实验方法主要包括植物提取物的制备、ZnO-NPs的合成以及其对癌细胞的抗癌活性评估。首先，研究人员从马来西亚吉隆坡的本地草药市场获取了新鲜的茴香叶片，并在2024年1月进行了植物学鉴定和分类确认。鉴定过程基于形态学特征和标准植物学参考资料，以确保所使用的植物材料的准确性。随后，叶片被用蒸馏水彻底清洗三次，以去除表面杂质，并在阴凉处完全干燥。干燥后的叶片被研磨成细粉末，作为后续合成ZnO-NPs的原料。植物提取物的制备过程通常包括浸泡、过滤和浓缩等步骤，以提取出具有还原和稳定作用的活性成分。这些活性成分不仅能够促进纳米颗粒的形成，还能改善其物理和化学特性，使其更适合生物医学应用。

为了评估ZnO-NPs的抗癌活性，研究人员使用MTT法对LS 174T人结肠腺癌细胞进行了体外实验。MTT法是一种常用的细胞毒性检测方法，通过测量细胞代谢活性来评估药物对细胞的影响。实验结果显示，ZnO-NPs具有显著的细胞毒性作用，且其IC??值远低于传统化疗药物5-FU，表明其在抗癌治疗中具有更高的治疗效率。这一结果的取得不仅依赖于ZnO-NPs的物理特性，还与其化学作用密切相关。例如，ZnO-NPs能够释放锌离子，并通过生成ROS诱导细胞凋亡，从而实现对癌细胞的清除。此外，ZnO-NPs的高表面积比使其能够更有效地与细胞相互作用，提高药物的渗透性和作用效率。因此，ZnO-NPs在抗癌治疗中的表现不仅优于传统药物，还具有更高的生物相容性和更低的环境影响，使其成为一种理想的治疗方案。

研究还通过XRD分析对ZnO-NPs的晶体结构进行了表征。XRD分析结果显示，ZnO-NPs的衍射峰与ZnO六方晶系的（100）、（002）、（101）、（102）和（110）晶面相对应，表明其具有良好的晶体结构和纯度。通过XRD分析，研究人员能够确认纳米颗粒的晶型和结晶度，为后续研究其物理和化学性质提供了基础。此外，XRD分析还能够评估纳米颗粒在不同处理条件下的结构变化，例如在400°C高温处理后，ZnO-NPs的晶体结构得到了进一步优化，表明其在高温处理下具有良好的热稳定性。这种热稳定性对于纳米颗粒在体内环境中的应用至关重要，因为体内温度通常较高，且纳米颗粒需要在一定时间内保持其结构和功能不变。

除了XRD分析，研究还采用了FTIR和UV-Vis光谱对ZnO-NPs进行了表征。FTIR分析能够检测纳米颗粒表面的功能基团，从而揭示其化学组成和表面特性。UV-Vis光谱则能够评估纳米颗粒的光学性质，如吸收峰和光谱响应。这些分析方法共同作用，为研究人员提供了关于ZnO-NPs物理和化学特性的全面信息。此外，SEM分析进一步揭示了纳米颗粒的形态特征，包括粒径分布和表面形貌。SEM图像显示，ZnO-NPs具有规则的纳米尺度结构，且其粒径分布较窄，表明其在合成过程中具有良好的控制性。这些形态特征对于纳米颗粒在药物输送系统中的应用具有重要意义，因为粒径的大小和分布会影响其在体内的扩散能力和靶向性。

为了进一步评估ZnO-NPs的治疗效果，研究人员还进行了细胞毒性实验，并通过不同剂量的处理观察其对LS 174T细胞的影响。实验结果显示，随着剂量的增加，ZnO-NPs的细胞毒性作用逐渐增强，表明其具有剂量依赖性的治疗效果。这一发现为确定ZnO-NPs的最优治疗剂量提供了依据，同时也表明其在不同治疗条件下的表现具有一定的可调性。此外，研究还探讨了ZnO-NPs与其他纳米材料在抗癌治疗中的比较，以评估其在不同治疗策略中的应用潜力。通过比较实验，研究人员发现ZnO-NPs在抗癌效果上优于其他纳米材料，如银和铝氧化物纳米颗粒，表明其在抗癌治疗中具有更高的选择性和效率。

本研究的结论表明，通过茴香提取物合成的ZnO-NPs在抗癌治疗中表现出显著的活性，其对LS 174T细胞的细胞毒性作用远高于传统化疗药物。这一结果不仅证实了ZnO-NPs在抗癌治疗中的潜力，还为绿色纳米技术在生物医学领域的应用提供了新的思路。此外，研究还强调了纳米颗粒在治疗中的优势，如其高表面积比、良好的生物相容性以及可控的降解特性。这些特性使得ZnO-NPs成为一种理想的治疗材料，具有广阔的应用前景。然而，研究也指出，ZnO-NPs的可控降解仍然是一个挑战，需要进一步研究以优化其在体内的稳定性与生物可利用性。此外，研究还提到，刺激响应型纳米颗粒在抗癌治疗中的应用潜力，如通过光、磁场或机械压力波激活纳米颗粒，以提高其治疗效果。

本研究的成果不仅为绿色纳米技术在生物医学领域的应用提供了支持，还为未来开发更安全、高效的抗癌药物提供了理论依据和技术支持。通过探索植物提取物在纳米颗粒合成中的作用，研究人员能够更好地理解自然物质与纳米材料之间的相互作用，为开发新型生物医学材料提供了新的思路和方法。此外，研究还强调了绿色合成方法在纳米医学中的重要性，以及其在解决传统治疗手段局限性方面的潜力。通过比较不同植物提取物在纳米颗粒合成中的表现，研究人员能够进一步优化合成方法，以提高纳米颗粒的性能和应用效果。因此，本研究不仅具有重要的科学价值，还为未来纳米医学的发展提供了新的方向和可能性。