通过激光烧蚀技术制备抗氧化剂二氧化铈纳米颗粒以保护细胞

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Engineering antioxidant cerium oxide nanoparticles by laser ablation for cellular protection

CeO?纳米粒子通过脉冲激光消融法合成，表面富集氧空位，经EELS证实高Ce3?/Ce??比例。其抗氧化活性在Fenton反应中显著（抑制>80% at 2 mM），并通过细胞实验验证对氧化应激的细胞保护作用（24小时预培养提升存活率至85%）。激光消融构建的缺陷结构是高效抗氧化及细胞保护机制的关键。

　　

Maksim Aleksandrovich Pugachevskii | Aleksey Anatolyevich Kryukov | Svetlana Aleksandrovna Dodonova | Elena Borisovna Artyushkova | Vladimir Alexandrovich Mamontov | Vladimir Viktorovich Rodionov | Roman Ivanovich Romanov

俄罗斯库尔斯克市西南国立大学，邮编305040

摘要

通过脉冲激光烧蚀法合成了二氧化铈（CeO₂）纳米颗粒（NPs），这是一种无需表面活性剂的方法，可在极端非平衡条件下制备富含表面氧空位的纳米颗粒。这些结构缺陷通过电子能量损失光谱（EELS）得到定量验证，结果显示Ce³⁺/Ce⁴⁺比值较高。富含缺陷的CeO₂纳米颗粒表现出优异的抗氧化活性，其在2 mM浓度下能够抑制Fenton反应中羟基自由基（•OH）对亚甲蓝的降解，抑制效果超过80%。此外，使用永生化的人类成纤维细胞（BJ TERT）进行的体外研究表明，这些纳米颗粒能够被细胞内吞，并具有显著的、时间依赖性的细胞保护作用。预处理24小时后，细胞在Fenton诱导的氧化应激下的存活率可提高至85%。这种高效的抗氧化和细胞保护效果直接归因于纳米颗粒表面工程化的功能缺陷，这些缺陷促进了氧化还原循环的进行。本工作强调了激光烧蚀作为一种制备高性能CeO₂纳米颗粒的强大方法，适用于需要有效缓解氧化应激的应用场景。

引言

结构缺陷在很大程度上决定了催化剂和抗氧化纳米材料的物理化学性质，提高了它们的生物化学活性、热弹性以及抵抗多态相变的能力等[1]、[2]、[3]、[4]。在这方面，激光烧蚀是一种有前景的纳米材料制备方法[5]、[6]。由于该方法在极端非平衡条件下进行，伴随着温度和浓度的显著变化，因此能够制备出表面富含结构缺陷的纳米颗粒[7]、[8]、[9]。

在生物系统中，抗氧化过程至关重要，它们可以中和化学活性自由基，如活性氧和氮物种[10]、[11]。抗氧化剂能够增强生物体对内部过程和外部物理化学因素引起的氧化应激的抵抗力[12]。二氧化铈是一种具有多种独特特性的有前景的抗氧化剂[13]、[14]、[15]、[16]。由于其能与氧气发生相互作用，其表面能够实现氧化还原循环，从而中和危险的自由基，如短寿命的羟基自由基OH*、超氧阴离子O₂^-等[17]、[18]、[19]。与在更平衡条件下合成的颗粒（例如溶剂热法制备的颗粒）相比，激光烧蚀法制备的二氧化铈纳米颗粒具有更高的生物化学活性[20]。在我们的研究[21]、[22]、[23]中，发现激光烧蚀的二氧化铈纳米颗粒在紫外光照射下对亚甲蓝的降解具有较高的抗氧化活性。此外，还发现CeO₂纳米颗粒的抗氧化活性随pH值升高而增强[24]。

氧化应激表现为活性氧（ROS）的过量产生，会破坏细胞内稳态并损伤脂质、蛋白质和DNA等关键生物分子。Fenton反应（Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + •OH + OH?）是羟基自由基（•OH）的主要来源，而羟基自由基是最具反应性和破坏性的ROS。保护细胞免受此类损伤是生物医学工程的关键目标。我们假设，激光烧蚀制备的富含缺陷的CeO₂纳米颗粒在Fenton反应中具有更强的•OH自由基清除能力，这将直接转化为对人类细胞的有效保护。本研究通过化学模型和生物学相关的细胞模型全面评估了激光烧蚀工程化缺陷结构与增强抗氧化性能之间的关联，凸显了其在工业和生物医学应用中的潜力。

实验程序

为了研究CeO₂纳米颗粒的保护性能，我们进行了多个步骤。首先，在离子水中制备了激光烧蚀的二氧化铈纳米颗粒溶液，以测定其在Fenton反应中对有机染料亚甲蓝的抗氧化活性。随后，在细胞培养基中制备了这些纳米颗粒溶液，并将培养细胞孵育以进行实验。Fenton反应是在孵育后的细胞培养物上进行的

结果与讨论

透射电子显微镜（Zeiss Libra-120）的研究显示（图1），初始烧蚀纳米颗粒的尺寸范围从10纳米到几微米不等。通过超声分散和后续离心处理，可以将胶体系统中的平均颗粒尺寸降至20纳米以下[27]。因此，图2展示了使用小角X射线衍射仪（SAXS）测得的CeO₂纳米颗粒纳米分散系统的粒子间距分布函数

结论

本研究成功利用脉冲激光烧蚀法合成了具有高抗氧化活性的二氧化铈纳米颗粒。这些纳米颗粒在Fenton反应中表现出剂量依赖性的亚甲蓝氧化降解抑制能力。重要的是，这些经过缺陷工程处理的纳米颗粒能够被人类成纤维细胞内吞，从而提供显著的、时间依赖性的细胞保护作用。其优异的性能归因于

CRediT作者贡献声明

Maksim Aleksandrovich Pugachevskii：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、研究、概念构思。Aleksey Anatolyevich Kryukov：可视化、验证、方法学。Svetlana Aleksandrovna Dodonova：验证、数据分析、数据管理。Elena Borisovna Artyushkova：项目管理。Vladimir Alexandrovich Mamontov：撰写——初稿、研究。Vladimir Viktorovich Rodionov：可视化。Roman Ivanovich Romanov：研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。