基于 Laggera alata 提取物的 TiO2-壳聚糖纳米复合材料合成与表征及其体外抗氧化、抗糖尿病和抗癌活性

《Physics Open》：Synthesis and Characterization of TiO 2-Chitosan Nanocomposite via Laggera alata Extract and Its In Vitro Antioxidant, Antidiabetic and Anticancer Activities

　　

利用 Laggera alata 叶提取物绿色合成 TiO₂-壳聚糖纳米复合材料。紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）证实了纳米复合材料的成功形成。该材料表现出强抗氧化活性，对 DPPH 和 ABTS 自由基具有抑制能力。同时显示出显著的 α-淀粉酶和 α-葡萄糖苷酶抑制活性。在 A431 细胞中观察到剂量依赖性凋亡，表明其具有有前景的生物医学应用潜力。

论文解读

纳米技术是当代科学中发展最为迅速的交叉领域之一，纳米材料因尺寸处于 1–100 nm 范围而呈现高比表面积、高反应活性及独特的光学、力学性质。二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒是其中研究最广泛的功能材料之一，因其化学惰性、热稳定性、非毒性和低成本而广泛应用于药物递送、癌症治疗、抗菌涂层和环境污染治理。然而，基于溶胶-凝胶、水热、化学气相沉积和沉淀等传统方法通常需要高温、昂贵设备以及有毒化学试剂，并可能产生危害健康的副产物；此外，合成稳定剂还会降低纳米颗粒的生物相容性，制约其在生物医学领域的应用。利用植物提取物进行绿色合成成为克服上述缺陷的重要策略，植物中的黄酮、酚酸、鞣质、萜类等植物化学物质能够将金属离子还原为纳米颗粒并起封端稳定作用。Laggera alata 为菊科药用植物，含有丰富的酚类、黄酮类和萜类等活性代谢物，具有抗炎、抗菌、抗氧化和促进伤口愈合的功效。壳聚糖是一种具有良好生物相容性、生物可降解性和丰富氨基、羟基官能团的天然聚合物，将其与 TiO₂ 复合可提高纳米颗粒的分散性、稳定性并提供更多生物活性位点。尽管已有多种植物介导 TiO₂ 纳米颗粒的报道，但利用 Laggera alata 制备 TiO₂-壳聚糖纳米复合材料并系统评价其抗氧化、抗糖尿病和抗癌功能的研究仍极为有限。因此，研究人员设计并合成了基于 Laggera alata 叶提取物的绿色 TiO₂-壳聚糖纳米复合材料，全面表征其理化性质并评估多种生物活性，以拓展多功能生物医用材料的开发路径。该研究发表于《Physics Open》。

研究人员从印度泰米尔纳德邦塞勒姆地区 Kolli Hills 北部采集 Laggera alata 叶片，经干燥、粉碎和水提获得富集植物化学物质的提取物。以钛酸四异丙酯（TTIP）为钛源，在 50 °C、pH 7.4 条件下加入叶提取物，通过水解缩合反应合成 TiO₂ 纳米颗粒，随后将其分散于 1% 乙酸配制的壳聚糖溶液中，形成 TiO₂-壳聚糖纳米复合材料。关键表征方法包括：UV-Vis 谱确定光吸收和带隙；FTIR 分析官能团；XRD 表征晶体结构和晶粒尺寸；FE-SEM 观察形貌；EDX 检测元素组成。体外活性评价采用 DPPH 和 ABTS 自由基清除实验、α-淀粉酶和 α-葡萄糖苷酶抑制实验，以及基于 A431 人表皮样癌细胞系的 MTT 细胞毒性实验、倒置显微形态学观察、AO/EtBr 双染、PI 核染色和 ROS 荧光检测。

研究结果显示，植物化学初步筛选确认 Laggera alata 水提物中含有生物碱、黄酮、酚类、鞣质、皂苷和碳水化合物，未检测到糖苷、萜类、甾体和蛋白质，说明提取物富含可参与纳米合成及生物活性的还原性和封端成分。UV-Vis 分析显示纳米复合物在紫外区有强吸收，吸收边约为 450 nm，较纯 TiO₂（约 380 nm）发生明显红移；Tauc 图外推得到光学带隙约为 1.89 eV，表明壳聚糖和植物植物化学物质与 TiO₂ 产生强界面作用，缩小带隙并增强可见光响应。FTIR 图谱显示 3402.75 cm^-1 处 O-H 伸缩吸收、1635.09 cm^-1 处酰胺 I 带（C=O）和 1546.86 cm^-1 处酰胺 II 带（N-H）表明壳聚糖存在；而 795.39、638.89 和 505.01 cm^-1 处的吸收分别对应 Ti-O-Ti 伸缩、Ti-O 伸缩和 Ti-O-Ti 弯曲振动，证明 TiO₂ 与壳聚糖形成了复合结构。XRD 图谱中 2θ 为 8.92°–41.05° 范围内出现多个尖锐衍射峰，标注为 TiO₂ 的（022）、（044）、（208）等晶面，与 JCPDS 00-25-0783 相符，显示为正交晶相；同时含有壳聚糖的半结晶峰，Scherrer 公式计算平均晶粒尺寸为 23.3 nm，说明形成了结晶性良好的纳米复合材料而并非简单物理混合。FE-SEM 观察到材料呈不规则板状、片状和层状形态，高倍下可见紧密堆叠的薄纳米片，表明 TiO₂ 与壳聚糖基质相互作用良好并形成高比表面积结构。EDX 光谱检测到氧和碳为主要元素，并有钠、钙、钾、镁等来自植物提取物的矿物元素，证实生物分子附着于纳米复合物表面，起到稳定和功能化作用。

在抗氧化活性方面，DPPH 检测显示纳米复合物在 10–100 μg/mL 范围内清除率从 14.50% 增至 77.92%，100 μg/mL 时与标准抗氧化剂（79.48%）接近；ABTS 检测显示清除率从 14.88% 增至 66.23%，标准品为 75.21%。两种实验均呈浓度依赖性，IC₅₀ 分别约为 68.98 μg/mL 和 62.78 μg/mL，表明其抗氧化能力主要源于植物酚类、黄酮类成分与壳聚糖氨基/羟基的协同供氢或电子能力。在抗糖尿病活性方面，α-淀粉酶抑制实验从 100 μg/mL 的 26.83% 升至 300 μg/mL 的 70.30%，IC₅₀ 为 156.23 μg/mL；α-葡萄糖苷酶抑制从 21.57% 升至 54.26%，IC₅₀ 为 254.87 μg/mL，而标准药物阿卡波糖的 IC₅₀ 分别为 146.92 和 218.35 μg/mL。说明纳米复合物可通过抑制碳水化合物消化酶减缓葡萄糖吸收，并表现出强于 α-葡萄糖苷酶的 α-淀粉酶抑制活性。在抗癌活性方面，MTT 实验表明 A431 细胞活力随纳米复合物浓度升高而显著下降，最高浓度 160 μg/mL 时细胞毒性最强；倒置显微镜观察显示细胞收缩、变圆、膜出泡和脱落，呈典型细胞凋亡形态。AO/EtBr 双染和 PI 染色进一步发现处理组出现染色质凝缩、核碎裂和凋亡小体；DCFH-DA 荧光检测显示 ROS 水平升高。这些结果共同证明该纳米复合物通过诱导 ROS 介导的剂量依赖性凋亡发挥抗癌作用。

讨论部分指出，TiO₂ 的高结晶性和纳米尺度提供了较大活性表面积；壳聚糖的官能团可增强分散性和生物相容性；而 Laggera alata 的植物化学物质兼具还原剂、封端剂和生物活性调节剂多重角色，三者协同形成多功能纳米复合物。与已报道的化学沉淀法、溶胶-凝胶法及其他植物介导 TiO₂-壳聚糖体系相比，本研究材料在抗氧化、抗糖尿病和抗癌方面表现出相当或更优的效果，并具有粒径 29–50 nm 的形貌特征。研究也存在局限性，如未进行动态光散射（DLS）、Zeta 电位和 X 射线光电子能谱（XPS）等高级表面表征；抗癌实验仅测定了 A431 一种细胞系，缺乏正常细胞对照和流式细胞术验证。未来需补充体内毒性、药代动力学及凋亡通路相关的分子机制研究。

研究结论可概括为：本研究成功利用 Laggera alata 叶提取物绿色合成了 TiO₂-壳聚糖纳米复合材料。理化表征证实了纳米复合物的成功形成；体外抗氧化、抗糖尿病和抗癌实验显示该材料具有中等抗氧化活性及有前景的浓度依赖性抗糖尿病和抗癌效应。尽管抗氧化活性低于标准品，但总体结果表明该纳米复合物值得进一步生物医学研究。目前研究仅局限在体外阶段，且抗癌评价仅针对 A431 细胞系，尚需通过正常细胞系、选择性指数、流式细胞术及完整体内研究来验证其安全性、选择性和治疗潜力，为未来可能的临床转化奠定基础。