基于响应面方法的Box-Behnken设计在统计优化中的应用：用于合成姜黄素介导的氧化铜纳米颗粒

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Response Surface Methodology based Box-Behnken Design for Statistical Optimization of Curcuma caesia Mediated Copper Oxide Nanoparticles Synthesis

绿色合成黑姜黄介导铜纳米颗粒及其生物活性研究。通过响应面法优化合成参数，获得50-70 nm结晶纳米颗粒，UV-Vis证实表面等离子共振峰，FTIR验证生物还原 capped 机制，DPPH测试显示IC50达13.04 nM，抗菌活性达75.2%，抗炎62-72%，降血糖36.62-59.79%。

　　

作者：Sakshi Sharma、Saurabh Srivastava、Abhishek Chaudhary

印度喜马偕尔邦索兰市Waknaghat-173234，Jaypee信息技术大学生物技术与生物信息学系

摘要

Curcuma caesia是一种鲜为人知的具有治疗潜力的草药，富含生物活性化合物，但由于其活性成分的溶解度、稳定性和生物利用度较差，在制药应用中仍受到限制。为了克服这些限制，本研究旨在利用Curcuma caesia提取物作为稳定剂和还原剂，通过环保的绿色合成方法制备单分散氧化铜纳米颗粒。首先采用单变量优化法对合成的纳米颗粒进行优化，随后通过基于Box-Behnken设计的响应面方法进行统计验证。进一步利用UV-Vis光谱、FTIR、SEM、TEM和XRD对纳米颗粒进行了表征，确认其具有50-70纳米的球形晶体结构，并在430纳米处表现出明显的表面等离子体共振峰。FTIR分析揭示了纳米颗粒的合成机制，包括还原和生物活性化合物的包覆过程。生物学实验表明，这些纳米颗粒具有显著的抗氧化活性（IC₅₀值为13.037 nM），同时还表现出较强的抗菌活性（75.2-16.4%）、抗炎活性（62-72%）和抗糖尿病活性（36.62-59.79%）。这些发现凸显了Curcuma caesia介导的氧化铜纳米颗粒作为强效治疗剂的潜力，为其在生物医学领域的应用指明了方向。

引言

阿育吠陀被誉为“生命科学”，是一种拥有超过1200种植物和100种动物产品的传统医学体系，能够治愈许多致命疾病[1]。在这些药用植物中，属于姜科的姜黄属（Curcuma）包含约80个物种，其中Curcuma caesia（又称黑姜黄）是研究最少的品种之一[2]。黑姜黄（C. caesia）是一种具有重要工业价值的多年生药用草本植物。

材料

C. caesia（登录号：128103）采自印度贾巴尔普尔（Jabalpur）的874 Manaegaon Champa nagar Westland Khamaria。硝酸铜三水合物（Cu(NO₃)₂.3H₂O，纯度99.5%）、没食子酸（纯度>98%）和氢氧化钠（NaOH，纯度>98%）购自印度孟买的Sisco Research Laboratories (SRL) Private Limited公司；十二烷基硫酸钠（SDS，纯度≥99.5%）购自美国Bio-Rad Laboratories公司。此外，还使用了营养琼脂（Nutrient Agar, NA）、营养肉汤（Nutrient Broth, NB）和Mueller Hinton琼脂（MHA）等实验材料。

合成与表征

利用C. caesia提取物作为绿色还原剂和稳定剂制备氧化铜纳米颗粒，并对多种合成参数进行了优化。在持续搅拌条件下将C. caesia提取物加入硝酸铜溶液中时，观察到颜色从橙色逐渐变为海绿色，表明纳米颗粒的形成已经开始并持续进行。这一现象通过光谱分析得到了进一步验证。

结论

本研究成功利用C. caesia提取物通过绿色合成方法制备出了氧化铜纳米颗粒。通过单变量优化法（OVAT）对合成参数进行了调整，涉及浓度、pH值、时间和温度四个参数。最终确定的最佳合成条件为中性pH值、40°C的反应温度以及6:1的C. caesia与硝酸铜（Cu(NO₃)₂的比例。优化后的纳米颗粒表现出优异的性能。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

作者贡献说明

Sakshi Sharma：负责撰写初稿、数据验证、方法学设计及正式分析。 Saurabh Srivastava：负责撰写、审稿与编辑工作，同时提供技术支持和监督。 Abhishek Chaudhary：参与撰写、审稿与编辑工作，负责验证结果及整体研究方向的把控。

出版同意书

不适用。

声明与保证

作者声明不存在可能影响本文研究的任何财务利益冲突或个人关系。

伦理审批与参与同意

不适用。

数据与材料的可用性

不适用。

资金支持

作者声明本研究未获得任何形式的财务支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的任何财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢Jaypee信息技术大学（JUIT）提供的实验设施与支持；感谢Biorender和MolView平台在图表制作中的帮助；感谢Shoolini大学提供的FTIR设备、Dr. Hari Singh Gour Vishwavidyalaya Sagar提供的XRD设备、Jamia Hamdard提供的TEM图像，以及Foundation for Revitalisation of Local Health Traditions提供的相关登录号。