分级结构Mg/Ag2O纳米结构作为兼具强效抗菌、杀蚊和抗癌活性的多功能生物医学制剂

《Scientific Reports》：Hierarchical Mg/Ag2O nanostructures as multifunctional biomedical agents with potent antimicrobial, mosquitocidal, and anticancer efficacy

　　

研究人员通过简便的共沉淀法（co-precipitation）合成了镁银氧化物纳米结构，并采用多种分析技术进行表征。形态学分析显示，其具有由超细球形纳米颗粒修饰的二维/三维片层分级结构（2D/3D sheet hierarchical architecture），呈现出大比表面积和高孔隙网络等特征，可能促进其与微生物细胞的增强相互作用。该纳米杂化物对普通变形杆菌（Proteus vulgaris）表现出显著抗菌活性，抑菌圈直径为20 mm；对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）表现出中等抗菌活性，抑菌圈直径分别为14.33和11.67 mm。相反，对大肠埃希菌（Escherichia coli）未观察到可检测的抗菌活性。Mg/Ag₂O纳米结构还对烟曲霉（Aspergillus fumigatus）和白色念珠菌（Candida albicans）表现出显著抗真菌活性，抑菌圈分别为10.50和12 mm。此外，该纳米结构在300 ppm浓度下对淡色库蚊（Culex pipiens）表现出显著成虫杀灭效果（adulticidal efficacy）。在生物医学领域，Mg/Ag₂O纳米复合物表现出强抗氧化和抗癌活性，IC₅₀值为2.80 ± 0.37 μg/mL，最大抑制率为99.05%，凸显其在多种生物医学应用中的潜力。

该论文围绕分级结构Mg/Ag₂O纳米材料的多功能生物医学效应展开。病原微生物（包括细菌和真菌）持续威胁全球公共卫生，可在食品系统、纺织品和医院等环境中造成个体感染与大规暴发。世界卫生组织（WHO）估计感染性疾病每年约导致70万人死亡，且缺乏有效干预时该数字预计上升。质粒和转座子等水平基因转移推动抗菌耐药（antimicrobial resistance，指病原体对药物敏感性下降），使金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌、铜绿假单胞菌、Candida otosclerosis和Aspergillus等对许多常规药物高度耐药；美国疾病控制与预防中心（CDCP）资料提及全球每年超过200万人感染抗生素耐药细菌并约2.3万人死亡。另一方面，气候变化和温室气体排放通过温度与降雨模式改变加速媒介传播疾病；淡色库蚊是淋巴丝虫病和黄热病等热带病的重要传播媒介。因此，亟需设计可同时杀灭微生物和媒介的多功能体系。纳米金属氧化物受关注；Ag₂O NPs为p型半导体，具有可调光学带隙和多氧化态（如AgO、Ag₂O、Ag₂O₃），纳米尺寸和量子限域效应支持生物应用；Mg掺入银氧化物骨架可增强活性氧（reactive oxygen species，ROS；指含氧高反应性分子）生成。Jiamin Liu等曾构建MgO/Ag₂O/水凝胶复合物，发现MgO/Ag₂O含量可改善抗菌活性。氧化应激与癌症、高血压和心血管疾病等慢性病相关；纳米金属氧化物抗氧化活性常归因于生成H₂O₂和O₂^?以中和过量ROS；纳米颗粒用于肝癌和肺癌细胞治疗，超细颗粒与细胞膜和细胞器作用导致癌细胞破坏；Khatoon等研究了Ag₂O NPs对MCF-7和PVA1癌细胞系的细胞毒性。基于此，研究人员用低成本共沉淀法制备2D/3D Mg/Ag₂O，利用Mg²⁺、Ag⁺和ROS破坏细胞膜并与蛋白质、酶和DNA等胞内生物分子作用；分级结构减少纳米颗粒聚集并增加活性位点可利用性，从而增强抗菌效能，同时展示抗氧化和抗癌活性。该研究的意义在于将抗菌、抗真菌、杀蚊、抗氧化和抗癌性能集成于同一纳米平台，为先进生物医学和治疗应用提供候选。

关键技术方法（约250字内）：研究人员采用X射线衍射（X-ray diffraction，XRD；物相与晶体结构分析）、能量色散X射线光谱（energy-dispersive X-ray spectroscopy，EDX；元素组成与分布）、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR；表面官能团）、X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS；表面电子态与化学组成）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM；表面形貌）、透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM；颗粒形貌与尺寸）和紫外-可见分光光度法（ultraviolet-visible，UV-Vis）结合Tauc法表征。抗菌用琼脂孔扩散法（agar well diffusion）；杀蚊用浸渍滤纸法，淡色库蚊成虫来源于医学昆虫机构（Medical Institution of Insects），记录12 h和48 h死亡率；抗氧化用DPPH（2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl）和FRAP（ferric reducing antioxidant power）法；细胞毒用MTT法，HepG-2细胞来源于Vacsera Tissue Culture Unit。

**结构、化学组成与分子相互作用分析。** 通过XRD分析，衍射峰对应Ag₂O面心立方（face-centered cubic，FCC）结构（JCPDS 43–0997）和MgO立方相（JCPDS 45–0946），并见弱AgO（210）峰，Ag₂O为主晶相；计算显示较高结晶度、较低晶格应变和位错密度，提示10 wt.% Mg未严重扰乱主体晶格。EDX给出Ag、O、Mg原子百分比72.19、16.02、11.79 at.%，元素分布图显示Mg均匀分散；FT-IR检出Ag–O、Mg–O和Ag–O–Ag等振动；XPS确认Ag、Mg、O存在，Ag 3d峰对应Ag⁺，Mg 1s峰验证Mg²⁺掺入，O 1s双峰对应晶格氧及表面羟基/吸附氧。
**SEM和TEM显微图像。** 通过SEM和TEM观察到由互联片/片层构成的不规则分级形貌，片层表面分布细颗粒，片间空隙形成多孔结构；TEM确认大片层与细颗粒共存，颗粒平均直径26.50 nm，标准差4.17 nm，分布较均匀。
**Mg/Ag₂O薄膜的光学性质。** 通过透射和吸收光谱，薄膜在紫外区低透射、约450 nm处强吸收边，在可见—近红外区透射率约80–90%；吸收在350–420 nm较强；由Tauc法得带隙2.74 eV，提示Mg²⁺掺入改变电子结构、降低缺陷态并改善结晶性。
**抗菌活性。** 通过琼脂孔扩散法，10 mg/mL复合物对S. aureus、B. subtilis和P. vulgaris抑菌圈分别为11.67 ± 0.58、14.33 ± 1.1和20 ± 0 mm，对E. coli无敏感性；对A. fumigatus和C. albicans抑菌圈为10.5 ± 0.28和12 ± 0.21 mm。TEM显示处理P. vulgaris出现细胞膜破裂、外层分离；作者将P. vulgaris与E. coli差异归因于外膜通透性、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）组成、孔蛋白、抗氧化防御和银外排等物种特异性因素，而非肽聚糖层。
**杀蚊成虫活性。** 通过浸渍滤纸暴露实验，24 h时100、150、200、250、300 ppm的死亡率分别为14.65 ± 0.33%、25.33 ± 0.66%、29.33 ± 0.88%、36.00 ± 0.57%、49.33 ± 0.66%；48 h升至44.00 ± 1.00%、56.00 ± 0.57%、66.67 ± 0.88%、70.67 ± 0.33%、82.67 ± 0.66%。48 h的LC₅₀为125.42（73.614–155.061）ppm，LC₉₀为375.52（320.93–490.010）ppm。SEM显示纳米片在头部（复眼、触角）、胸部及腿部沉积，引起触角、喙、表皮和感觉结构形变、腿部断裂等外骨骼完整性损害。
**Mg/Ag₂O纳米复合物的抗氧化效力。** 通过DPPH法，清除率由2 μg/mL时7.89%升至1000 μg/mL时98.02%，IC₅₀为14.53 ± 0.78 μg/mL，略高于抗坏血酸9.73 ± 0.71 μg/mL；FRAP法还原能力由2.37%升至94.76%，IC₅₀为29.31 ± 1.29 μg/mL，略高于抗坏血酸26.67 ± 1.23 μg/mL。作者将其归因于表面介导电子转移、氧化还原反应及Mg与Ag₂O协同增加活性表面位点。
**对HepG-2细胞系的抗肿瘤细胞毒评价。** 通过MTT法，Mg/Ag₂O对HepG-2的IC₅₀为2.80 ± 0.37 μg/mL，最高测试浓度抑制率达99.05%；形态学见膜损伤、解离、卷曲和凋亡小体。作者解释抗菌/抗癌与DPPH清除活性并存反映环境依赖的氧化还原行为：生物条件下主要呈促氧化作用，产生胞内ROS并诱导细菌膜损伤、蛋白/DNA损伤和癌细胞凋亡；Mg与Ag₂O界面缺陷和氧空位进一步调节氧化还原与ROS；并引述既往研究称该纳米杂化物对健康人细胞毒性较低。

讨论部分强调分级片层结构提高比表面积、抑制团聚、暴露活性位点，并通过持续释放Ag⁺、Mg²⁺和ROS形成广谱毒性微环境；抗菌选择性取决于外膜结构差异，杀蚊活性与纳米片在体表沉积及外骨骼损伤相关，抗氧化与抗癌活性可通过环境依赖的氧化还原行为统一理解。结论部分可译为：Mg/Ag₂O纳米结构通过简便化学法成功合成并经多种谱学和分析技术系统表征，确认其结构、组成和物理化学性质；形态学分析显示形成分级/纳米片状结构，具有较高比表面积和较高原子密度，可归因于Mg²⁺与Ag₂O的协同作用；该协同通过生成ROS及持续释放Ag⁺和Mg²⁺显著增强抗菌效能，形成针对微生物病原体的广谱毒性微环境；所制备纳米复合物对B. subtilis和P. vulgaris显示强杀菌作用，对C. albicans和A. fumigatus具有显著抗真菌效能；其杀蚊活性通过成虫运动附器畸形体现，显示媒介控制潜力；该纳米结构材料还表现出显著抗癌治疗潜力，提示其在生物医学和抗癌应用中的用途。这些发现确立Mg/Ag₂O纳米复合物作为未来生物医学、抗菌和媒介传播疾病防控的候选材料，有助于推进环境安全、疾病控制和人类健康保护。