利用Plectranthus amboinicus与Sesbania grandiflora合成的羟基磷灰石（hydroxyapatite, HAp）的比较评价：结构特征、抗菌性能与细胞相容性

《Next Materials》：Comparative evaluation of hydroxyapatite synthesized using Plectranthus amboinicus and Sesbania grandiflora: Structural characteristics, antibacterial performance, and cytocompatibility

　　

本研究比较了以Sesbania grandiflora和Plectranthus amboinicus提取物作为绿色介质的植物介导合成羟基磷灰石（hydroxyapatite, HAp），以探讨其对结构和生物学性质的影响。研究人员通过湿化学法合成了HAp、Plectranthus amboinicus介导的HAp（PHAp）和Sesbania grandiflora介导的HAp（SHAp）。对有和无植物提取物制备的HAp样品进行表征以考察植物介质的影响。傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR）表征显示官能团对应于HAp。X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）分析表明HAp是植物提取介导与非介导样品中的主要晶相，具有六方结构。谢乐（Scherrer）分析表明PHAp在样品中表现出最小的表观晶粒尺寸。相比之下，SHAp表现出更高的结晶度。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）分析显示使用植物提取物导致颗粒团聚更少、分布更均匀，PHAp显示出比SHAp更精细的形貌。能量色散X射线光谱（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDAX）显示Ca/P比接近化学计量值。HAps的抗菌性能显示，与SHAp和HAp相比，PHAp对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）表现出优异的抗菌活性。PHAp和SHAp均显示高细胞活力（>90%），表明良好的细胞相容性和低细胞毒性。植物介导合成可有效调控HAp的结构和生物学性能。PHAp表现出增强的抗菌性能和细胞相容性，而SHAp表现出更高的结晶度，突显了这两种材料作为骨相关生物医学应用进一步研究的潜力候选材料的价值。

该研究发表于《Next Materials》。目前羟基磷灰石（hydroxyapatite, HAp）作为重要的骨组织工程生物材料，虽具备优良的生物相容性与骨整合能力，但传统合成常使用有毒还原剂、封端剂和稳定剂，存在环境影响与结构调控不足的问题。现有植物介导合成HAp的研究多关注单一植物源，不同植物提取物对HAp结构特征与生物性能影响的比较研究仍较有限。为此，研究人员开展以Plectranthus amboinicus和Sesbania grandiflora叶提取物为绿色介质，通过湿化学沉淀法合成PHAp与SHAp，系统比较两种植物介导HAp在结构、抗菌及细胞相容性上的差异，以明确植物介质对HAp性能的调控作用及其在生物医学应用中的潜力。

研究人员为开展研究用到的主要关键技术方法包括：采用湿化学沉淀法合成无植物介导的HAp及分别以Plectranthus amboinicus和Sesbania grandiflora水提物为介质合成的PHAp与SHAp，所有样品经老化、过滤、干燥及800℃煅烧处理；通过衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（Attenuated Total Reflectance–Fourier Transform Infrared spectroscopy, ATR–FTIR）分析官能团，粉末X射线衍射（XRD）分析晶相与结晶度并用Scherrer公式计算表观晶粒尺寸，场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）与能谱（EDAX）分析形貌与元素组成及Ca/P比；采用琼脂孔扩散法以大肠杆菌（Escherichia coli）与金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）为对象评价体外抗菌活性，以人骨肉瘤细胞系MG?63为模型通过MTT法评价细胞毒性与细胞活力。

研究结果如下：

3.1. FT-IR分析。研究人员通过ATR–FTIR表征发现，所有样品均在947–963 cm?1、约1025 cm?1及560–600 cm?1处出现磷酸根（PO?3?）的ν?对称伸缩、ν?不对称伸缩及ν?弯曲振动特征峰，证实无论是否使用植物介质均成功形成HAp相；HAp与PHAp在3400–3500 cm?1处有?OH与吸附水的宽吸收带，SHAp中该带缺失，可能源于植物化学成分影响表面吸附水或羟基含量，但不影响HAp相形成。

3.2. XRD分析。XRD图谱显示所有样品在2θ为25.9°、31.7°、32.9°、34.0°、39.8°、46.7°、49.5°处出现对应六方HAp的（002）、（211）、（300）、（202）、（310）、（222）、（213）晶面衍射峰，与JCPDS No. 09–0434标准卡吻合，未检测到明显磷酸三钙或氧化钙杂峰。Scherrer计算表明HAp、PHAp、SHAp表观晶粒尺寸分别为约42.09 nm、36.41 nm、57.39 nm，PHAp最小；结晶度指数分别为86.24%、92.19%、99.33%，SHAp最高。差异源于植物化学成分：Plectranthus amboinicus富含香芹酚与百里香酚等精油成分，在成核生长中起表面封端作用限制晶体长大；Sesbania grandiflora中植化成分与Ca2?相互作用可能影响成核与生长过程，形成较大晶粒与更高结晶度。

3.3. SEM–EDAX分析。SEM显示无植物介导HAp为团聚球形微结构；PHAp粒径减小、由更细颗粒高度团聚成簇，与XRD较小晶粒尺寸一致，EDAX给出Ca/P原子比为1.64，接近化学计量值1.67；SHAp为明确颗粒状，高倍下表面粗糙多孔，Ca/P原子比为1.3，低于理论值。植物提取物使颗粒团聚减少、分布更均匀，PHAp较SHAp形貌更精细；PHAp近化学计量Ca/P比有利于生理环境下结构稳定性与低溶解性。

3.4. 抗菌分析。体外抗菌实验显示所有样品呈浓度依赖性抗菌效果，PHAp在全部浓度下对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抑菌圈均最大，1000 μg/mL、500 μg/mL、250 μg/mL对金黄色葡萄球菌分别为19 mm、17 mm、14 mm，对大肠杆菌分别为18 mm、15 mm、13 mm，且在低浓度仍有可测活性；SHAp仅在高浓度略有提升，低浓度无明显变化；HAp介于二者间。因样品经800℃煅烧，植化成分多分解，增强抗菌性主要归因于PHAp更小的晶粒尺寸、更精细形貌与调控后的结晶性等理化性质，而非残留植物化合物。

3.5. 细胞毒性分析。以MG?63细胞行MTT法评价，ISO 10993–5规定细胞活力高于70%视为无细胞毒性；PHAp与SHAp在各浓度（6.25–100 μg/mL）下细胞活力均高于90%，从6.25 μg/mL的约97–98%略降至100 μg/mL的约90.5–90.9%，轻微下降源于颗粒物理拥挤与局部营养限制而非化学毒性；PHAp各浓度活力略高于SHAp，可能与植物介质调控的颗粒分散与表面特性促进细胞-材料相互作用有关，二者均具优良细胞相容性。

总结讨论部分，研究人员指出植物提取物中植化成分通过表面相互作用调控HAp晶体生长；FT-IR与XRD证实HAp为主晶相，PHAp表观晶粒更小，SHAp结晶度更高；SEM–EDAX支持形貌均匀与元素组成，Plectranthus amboinicus介导的PHAp的Ca/P比达1.64，接近化学计量值；PHAp对革兰氏阳性与阴性菌抗菌更优，二者细胞活力均>90%具良好细胞相容性；PHAp具增强抗菌与细胞相容性，SHAp具更高结晶与晶体有序性，二者均具骨移植替代、植入物涂层等进一步研究价值，但需更多成骨、机制与体内研究确立应用，该方法可通过金属封端或功能化拓展先进治疗生物材料。

研究结论部分翻译如下：

本研究对利用Sesbania grandiflora和Plectranthus amboinicus提取物合成的植物介导羟基磷灰石（HAp）进行比较评价，强调其在生物医学应用中的潜力。植物提取物中的植化成分促进羟基磷灰石（HAp）形成，并可能在合成过程中通过表面相互作用调控晶体生长。FT-IR分析指示特征官能团存在并支持HAp形成。XRD也确认HAp作为主要晶相形成。值得注意的是，PHAp表现出比SHAp更小的表观晶粒尺寸，而SHAp表现出更高程度结晶度。SEM和EDAX分析进一步支持合成材料的均匀形貌与元素组成。EDAX结果表明植物提取物性质可能影响合成材料的Ca/P比。在所研究的两种植物介质中，Plectranthus amboinicus产生的HAp的Ca/P比为1.64，接近化学计量羟基磷灰石的理论值。从抗菌角度看，PHAp在所有测试浓度下对革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌，Staphylococcus aureus）和革兰氏阴性（大肠杆菌，Escherichia coli）细菌均表现出优异抗菌效能，提示其在预防植入物相关感染中的潜在用途。使用MG?63细胞的细胞毒性研究揭示PHAp和SHAp均具有高细胞活力，表明良好的体外细胞相容性，并支持其在生物医学应用中进一步评价的价值。总体而言，结果表明PHAp和SHAp均具独特优势：PHAp表现出增强的抗菌活性与良好细胞相容性，而SHAp显示改善的结晶度与晶体有序性。这些发现提示植物介导羟基磷灰石材料值得作为骨移植替代物、植入物涂层和药物递送系统等应用进一步研究；然而在确立明确生物医学应用前仍需额外成骨、机制与体内研究。该方法也为通过金属封端或功能化开发先进治疗生物材料提供拓展空间。

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