高频声化学转化疏水性多酚为功能纳米颗粒：绿色合成策略及其生物医学应用

《Ultrasonics Sonochemistry》：High-frequency sonochemical conversion of hydrophobic polyphenols into functional nanoparticles for bioengineering

本研究针对疏水性多酚（如1,8-二羟基萘）在生物医学应用中面临的溶解性与稳定性难题，创新性地开发了一种高频超声辅助的纳米颗粒（NP）制备方法，该方法普适性强、制备快速，所得纳米颗粒展现出优异的抗氧化能力与广谱抗菌活性，为多功能生物材料的绿色设计与应用提供了新思路。

　　

多酚是一类广泛存在于天然植物（如茶叶、水果、蔬菜）中的次生代谢产物，因其多样的生物活性（如抗氧化、抗炎、抗菌等）而在生物医学领域备受关注。然而，许多多酚化合物，尤其是疏水性多酚，在水相中溶解性差、化学性质不稳定，这极大地限制了它们的实际应用。为了克服这些瓶颈，研究人员将目光投向了纳米技术。将多酚制成纳米颗粒（NP）是提高其生物利用度和细胞摄取效率的有效策略。传统的多酚纳米颗粒制备方法（如在碱性条件下氧化聚合）往往效率低、反应条件苛刻，且对疏水性多酚的适用性有限。因此，开发一种绿色、高效且普适性强的多酚纳米颗粒合成方法，并深入探究其生物功能，具有重要的科学意义和应用前景。近日，一篇题为“高频声化学转化疏水性多酚为功能纳米颗粒用于生物工程”的研究论文发表于《Ultrasonics Sonochemistry》，为解决上述问题提供了创新方案。

本研究主要运用了以下几项关键技术方法：采用高频超声波（412 kHz, 40 W） 处理疏水性多酚水分散体系，通过声化学效应驱动多酚氧化聚合和纳米颗粒成核；引入超声-芬顿（Fenton） 联用系统，利用超声原位产生的过氧化氢（H₂O₂）与亚铁离子（Fe²⁺）反应，加速羟基自由基（•OH）生成，从而显著缩短合成时间；利用透射电子显微镜（TEM） 和扫描电子显微镜（SEM） 表征纳米颗粒的形貌与尺寸，动态光散射（DLS） 和Zeta电位分析评估其水合粒径与胶体稳定性；通过X射线光电子能谱（XPS） 和质谱（MS） 分析产物的化学组成与聚合过程；采用细胞活性（MTT） 与活/死细胞染色实验评估纳米颗粒的生物相容性，并使用细胞内活性氧（ROS）清除实验（DCFH-DA探针） 和自由基清除能力测定（DPPH） 评价其抗氧化性能；通过菌落形成单位（CFU） 测定、扫描电镜观察细菌形貌以及生物膜抑制实验（结晶紫染色） ，系统评价纳米颗粒对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性能；并建立了小鼠皮肤感染模型，对纳米颗粒在体内的伤口愈合效果进行了验证。

3.1. NPs的制备与表征

研究揭示了高频超声在液体中引发声空化（acoustic cavitation）效应，产生瞬时高温高压微环境，促使水分子均裂生成羟基自由基（•OH），后者驱动多酚分子发生氧化、羟化并最终通过C-C和C-O键偶联聚合。以1,8-二羟基萘（1,8-DHN）为模型分子，通过2小时超声处理，成功制备了尺寸均一（TEM显示直径约120 nm）、分散良好的近球形纳米颗粒。表征分析显示，颗粒表面因酚羟基去质子化而带负电（Zeta电位约-29 mV），确保了胶体稳定性。质谱检测到二聚体和三聚体的形成，证实了超声诱导的聚合反应。XPS分析表明，与原料相比，纳米颗粒的碳氧比显著下降，说明发生了羟基化和部分氧化反应。

3.2. 浓度和时间对NPs形成的影响

研究考察了超声时间和初始浓度对纳米颗粒形成的影响。随着超声时间延长，初始的灰色不规则聚集体逐渐消失，最终形成均匀的球形纳米颗粒，且产率随时间增加。初始浓度的提高会增强吸收峰的强度（表明氧化增强），并使颗粒尺寸先增大后趋于稳定。低浓度下可获得尺寸均匀的球形颗粒，而高浓度下则易形成不规则聚集体。

3.3. NP制备方法的普适性

该方法具有优异的普适性。除1,8-DHN外，研究人员还成功将其应用于1,4-DHN、1,6-DHN、2,7-DHN等同分异构体以及白藜芦醇和姜黄素等疏水性天然分子，均制备出了形态均匀、分散性良好的球形纳米颗粒，证明了该策略对多种疏水性多酚底物的广泛适用性。

3.4. 超声-芬顿反应加速NPs形成

为了进一步提高合成效率，研究引入了超声-芬顿（sono-Fenton） 系统。超声产生的过氧化氢（H₂O₂）与Fe²⁺发生芬顿反应，额外产生大量•OH自由基，极大地加速了多酚的氧化聚合过程。仅需30分钟的超声-Fenton处理即可获得分散良好的球形纳米颗粒。元素成像显示，铁元素在颗粒中均匀分布，表明Fe²⁺与酚羟基发生了配位。

3.5. 抗氧化活性

所制备的多酚纳米颗粒展现出浓度依赖性的强自由基清除能力（DPPH）。其中，1,8-DHN NPs在10 μg/mL浓度下即可实现约100%的自由基清除。细胞实验进一步证实了其细胞内ROS清除能力。在过氧化氢（H₂O₂）诱导的氧化应激条件下，经1,8-DHN和2,7-DHN NPs处理的细胞显示最低的ROS荧光信号。MTT和活/死细胞染色实验表明，大多数NPs在高达100 μg/mL的浓度下仍能保持80%以上的细胞活性，显示出良好的细胞相容性。溶血率测试结果也远低于5%的生物材料安全阈值，证明其具有良好的血液相容性。

3.6. 抗菌能力

除了抗氧化性能，部分多酚纳米颗粒还表现出显著的广谱抗菌活性。CFU（菌落形成单位） 实验显示，2,7-DHN NPs对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）均具有高效的杀灭能力。扫描电镜观察显示，经其处理的细菌细胞膜发生严重破坏和变形。生物膜抑制实验进一步证明，2,7-DHN NPs能有效抑制生物膜的形成，抑制率接近100%。

3.7. NPs用于体内感染伤口愈合

为了验证材料的实际治疗效果，研究建立了小鼠皮肤感染模型。体内实验结果表明，使用2,7-DHN NPs处理的小组，其伤口面积在第9天显著缩小至8.82%，而对照组则高于20%。伤口处取样培养的细菌菌落数量在治疗组也显著低于对照组。此外，组织学染色（如H&E和8-OHdG）进一步证实了治疗组的良好效果。体内成像显示，纳米颗粒主要富集在伤口部位，在主要器官（心、肝、脾、肺、肾）中未检测到蓄积，展现了良好的组织靶向性和体内安全性。

总而言之，该研究成功开发了一种基于高频超声辅助、普适性强的疏水性多酚纳米颗粒绿色合成新策略。该方法突破了传统合成方法的局限，通过引入超声-芬顿系统实现了快速、高效制备。所获得的纳米颗粒不仅尺寸均一、稳定性好，而且兼具出色的抗氧化能力和广谱抗菌活性，并展现出良好的生物相容性与体内治疗潜力。这项工作不仅为天然多酚的功能化纳米结构设计提供了新的方法学见解，还展示了所得材料在抗菌涂层、生物医学防护、组织工程等领域广阔的应用前景，特别是为实现感染性伤口愈合等生物医学难题提供了潜在的新型解决方案。