农业废弃物介导的磁性四氧化三铁纳米颗粒绿色合成：一种兼具抗菌、抗炎与细胞毒性的可持续策略

《Kuwait Journal of Science》：Agro waste mediated synthesis of magnetic iron oxide nanoparticles: A sustainable strategy for antibacterial, anti-inflammatory, and cytotoxicity applications

　　

摘要专业翻译 本研究采用菠萝蜜（Artocarpus heterophyllus）果皮水提物作为还原剂和稳定剂，通过生物合成途径制备了磁性四氧化三铁纳米颗粒（Fe3O4 NPs）。通过紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、能谱分析（EDX）及扫描电子显微镜（SEM）等手段对纳米颗粒的结构、组成和形貌进行了系统表征。抗菌实验结果表明，Fe3O4 NPs在50–100 μg/mL浓度范围内对铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）表现出优异的抗菌活性。抗炎活性评价采用人红细胞（HRBC）膜稳定法，测得Fe3O4 NPs的半抑制浓度（IC50）为9.17 μg/mL。细胞毒性研究通过台盼蓝排斥实验（trypan blue exclusion assay）评估了Fe3O4 NPs对A549（人肺癌）、HepG2（肝癌）和MCF-7（人乳腺癌）等癌细胞系的作用，其中对A549细胞系的细胞毒性最强，IC50值为18.25 μg/mL。上述结果表明，利用菠萝蜜果皮这一农业废弃物绿色合成Fe3O4 NPs，不仅实现了废弃物的资源化利用，还获得了兼具抗菌、抗炎和抗癌活性的多功能生物纳米材料，为可持续纳米医学的发展提供了新思路。

论文解读

一、研究背景与意义

纳米技术是当前最具活力的交叉学科研究领域之一，其核心在于通过调控纳米尺度（通常小于100 nm）的物质，获得与块体材料截然不同的物理化学性质，如增大的比表面积、量子限域效应、可调光学行为以及增强的催化和生物活性。在众多纳米材料中，四氧化三铁纳米颗粒（Fe₃O₄ NPs）因其超顺磁性、化学稳定性、相对较低的毒性以及易于表面功能化等优势，在废水处理、磁分离、药物递送、磁共振成像、生物传感、组织工程和抗菌应用等方面受到广泛关注。

然而，传统合成Fe₃O₄ NPs的方法，包括共沉淀法、水热法、溶剂热法、热分解法和微乳液法等，通常需要高温条件、专用设备、有机溶剂或合成稳定剂，导致生产成本较高且带来环境负担。因此，利用植物提取物作为还原剂、封端剂和稳定剂的绿色合成策略日益受到重视。已有研究利用石榴皮、香蕉皮、柑橘皮等多种水果废弃物成功合成了Fe₃O₄ NPs，证实了果皮作为可再生生物资源在绿色纳米合成中的价值。

本研究选择菠萝蜜（Artocarpus heterophyllus）果皮作为植物化学来源，该材料是热带地区大量产生的农业工业废弃物，含有酚类化合物、黄酮类、碳水化合物等生物活性成分，可能参与纳米颗粒的还原和稳定化。尽管农业废弃物资源化利用的研究兴趣日益增长，但专门针对菠萝蜜果皮辅助合成Fe₃O₄ NPs及其理化与生物学性质的研究仍然有限。因此，本研究从废弃物管理和可持续纳米材料生产两个角度均具有重要意义。

二、研究内容与主要结论

研究人员利用菠萝蜜果皮水提物作为还原剂和稳定剂，成功合成了Fe₃O₄ NPs，并通过多种表征手段确认了纳米颗粒的成功形成及其形貌特征。抗菌实验表明，Fe₃O₄ NPs在50–100 μg/mL浓度范围内表现出优异的抗菌活性，在100 μg/mL浓度下对测试病原菌的抑制效果优于传统抗生素硫酸链霉素。抗炎活性实验显示，Fe₃O₄ NPs具有显著的浓度依赖性抗炎效果，IC₅₀值为9.17 μg/mL，远优于菠萝蜜果皮提取物（47.51 μg/mL）和标准药物双氯芬酸（226.19 μg/mL）。细胞毒性研究则表明，Fe₃O₄ NPs对多种人癌细胞系具有剂量依赖性杀伤作用，其中对A549肺癌细胞最为敏感（IC₅₀ = 18.25 μg/mL）。

三、关键技术与方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：利用菠萝蜜果皮制备水提物作为绿色合成介质；通过紫外-可见光谱（UV-Vis）监测纳米颗粒的合成过程；采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定表面官能团；通过扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDX）观察形貌并确认元素组成；使用透射电子显微镜（TEM）测定颗粒尺寸与形态；采用琼脂孔扩散法评价抗菌活性；利用人红细胞（HRBC）膜稳定法评估抗炎活性；通过台盼蓝排斥实验测定细胞毒性。样本来源方面，血液样本取自健康志愿者，且志愿者在实验前两周内未服用非甾体抗炎药物。

四、研究结果

4.1 UV-Vis光谱分析

UV-Vis光谱显示，菠萝蜜果皮提取物在227 nm处出现表面等离子体共振（SPR）吸收带，而合成的Fe₃O₄ NPs在200–800 nm可见光范围内呈现连续吸收且无明显特征峰，这与已有文献中利用其他植物提取物合成的Fe₃O₄ NPs光谱特征一致，初步证实了纳米颗粒的形成。

4.2 FTIR光谱分析

FTIR光谱显示，果皮提取物和Fe₃O₄ NPs均在3438/3410 cm^-1（O–H伸缩振动）、2915/2918 cm^-1（C–H伸缩振动）、1635/1632 cm^-1（芳香C–H弯曲振动）、1226/1229 cm^-1（硫酸盐不对称伸缩）和1064/1065 cm^-1（C–O伸缩振动）等处出现吸收带。纳米颗粒形成后，各吸收带位置和强度发生轻微变化，提示提取物中植物化学组分可能与纳米颗粒表面存在相互作用，但研究人员同时指出，这些位移也可能源于样品制备、水分含量或基线校正等实验因素，因此FTIR数据仅作为纳米颗粒形成的支持性证据。Fe₃O₄ NPs在556 cm^-1处出现归属于Fe–O伸缩振动的特征吸收带，该吸收位于铁氧化物特征区域（400–600 cm^-1），进一步支持了Fe₃O₄ NPs的形成。

4.3 XRD分析

X射线衍射分析证实了生物合成的Fe₃O₄ NPs为单相晶体结构。在2θ = 26.35°、33.24°、37.24°、39.42°和44.35°处出现衍射峰，分别对应（200）、（220）、（311）、（222）和（400）晶面，与JCPDS卡片19-0629中标准磁铁矿XRD图谱吻合，晶系为立方晶系。果皮提取物中还检测到其他峰，归因于蛋白质和酶等稳定因子的存在。

4.4 形貌与尺寸分析

SEM图像显示，生物合成的Fe₃O₄ NPs倾向于聚集形成表面粗糙的不均匀球形颗粒，这种聚集现象与铁物种的磁性特征以及果皮提取物中多酚类化合物的存在有关。EDX分析确认了纳米颗粒的元素组成，检测到氧、氮和铁的特征峰，其中氮和氧峰的存在证实了菠萝蜜果皮提取物中的有机物质吸附于纳米颗粒表面或附近。TEM分析显示，Fe₃O₄ NPs主要为球形形貌，粒径范围为8–12 nm。动态光散射（DLS）测量结果与TEM观察一致，约90%的纳米颗粒尺寸分布在20–35 nm范围内。

4.5 抗菌活性

采用纸片扩散法评价了Fe₃O₄ NPs对铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性。结果显示，在100 μg/mL浓度下，Fe₃O₄ NPs对三种病原菌的抑菌圈直径分别为32 mm、44 mm和36 mm，均优于硫酸链霉素（18 mm、22 mm和19 mm）。纯菠萝蜜果皮提取物仅表现出低水平抗菌活性。抗菌活性随纳米颗粒浓度（50–100 μg/mL）的增加而显著增强。研究人员指出，活性氧（ROS）可能参与Fe₃O₄ NPs的毒性机制，但更可能是通过影响细胞膜或细胞壁完整性来发挥抗菌作用，天然植物化学涂层也可能增强抗菌活性。

4.6 抗炎活性

通过HRBC膜稳定法评估了Fe₃O₄ NPs的体外抗炎活性。结果表明，Fe₃O₄ NPs表现出浓度依赖性的抗炎效果，IC₅₀值为9.17 μg/mL，显著优于菠萝蜜果皮提取物（47.51 μg/mL）和双氯芬酸（226.19 μg/mL），提示Fe₃O₄ NPs可能通过降低氧化应激和炎症反应，成为治疗炎症性疾病的潜在候选药物。

4.7 细胞毒性研究

采用台盼蓝排斥实验评估了Fe₃O₄ NPs对A549、HepG2和MCF-7三种人癌细胞系的细胞毒性。结果显示，随着Fe₃O₄ NPs浓度的增加，癌细胞活力持续下降，呈剂量依赖性。IC₅₀值因细胞系不同而异：A549为18.25 μg/mL，MDA-MB 231为81.26 μg/mL，HepG2为84.65 μg/mL，MCF-7为59.65 μg/mL。与其他癌细胞系相比，Fe₃O₄ NPs对A549细胞的杀伤效果最为显著。

五、讨论与结论

本研究利用菠萝蜜果皮提取物成功实现了Fe₃O₄ NPs的绿色可持续合成，该提取物同时充当还原剂和稳定剂。系统表征证实了纳米颗粒的成功形成，其粒径为8–12 nm，呈球形形貌，具有立方晶系晶体结构。生物学评价显示，生物合成的Fe₃O₄ NPs在50–100 μg/mL浓度范围内表现出显著的抗菌活性，抗炎活性IC₅₀值为9.17 μg/mL，并对人癌细胞系具有剂量依赖性抗癌活性，其中对A549细胞的效果最佳（IC₅₀ = 18.25 μg/mL）。这些结果凸显了植物介导的Fe₃O₄ NPs作为多功能生物活性纳米材料的潜力。此外，该绿色合成方法通过减少有害试剂和副产物，为传统化学方法提供了有吸引力的替代方案。未来研究应聚焦于机制探索、体内安全性评价以及靶向生物医学应用的开发，以促进临床转化。