藻酸盐浸渍的Withania Coagulans植物提取物薄膜及其Ag NPs复合物的催化与抗菌研究

《Desalination and Water Treatment》：Alginate impregnated Withania Coagulans plant extract film and its Ag NPs composite for catalytic and antimicrobial studies

　　

生物资源材料由于其在多种技术应用中的可持续性、丰富存在性及应用潜力，在近年来受到了极大关注。在本研究中，研究人员使用Withania Coagulans植物提取物及其基于W. Coagulans的银纳米颗粒（Ag NPs）对藻酸盐（一种生物资源聚合物）进行交联。研究比较了使用不同交联材料（如植物粗提物及其生物源性Ag NPs）合成藻酸盐水凝胶的过程。研究人员评估了藻酸盐水凝胶对亚甲基蓝、对硝基苯酚和甲基橙还原的催化活性，其中对亚甲基蓝（MB）在12分钟内表现出优异的降解性能。在催化剂存在下，表观速率常数值最高。例如，MB的最高k_app值为1.5 ×10^-1 min^-1（降解率为90.5%），其次是MO和PNP，分别为8.0 ×10^-2和3.5 ×10^-2（%R：85.3%，56.6%）。该水凝胶对金黄色葡萄球菌表现出14 mm至23 mm的抑菌圈，显示出广谱抗菌潜力。良好的抗菌活性表明其可用于伤口愈合应用。研究人员采用综合分析与光谱技术，包括用于官能团测定的傅里叶变换红外光谱（FTIR）、用于形貌评估的场发射扫描电子显微镜（FESEM）以及用于水凝胶元素组成分析的能谱仪（EDS）。本研究揭示了合成水凝胶的多功能性，为解决生物医学（尤其是伤口愈合）领域的挑战提供了一种多方面解决方案。

论文解读：海藻酸盐基多功能复合水凝胶——从绿色合成到催化降解与抗菌应用

一、研究背景与问题

水凝胶作为一种能够大量吸水溶胀的聚合物网络，因其与人体组织的相似性而受到广泛关注。自20世纪60年代Wichterle和Lim的开创性工作，以及80年代Lim和Sun利用海藻酸钙包封细胞的研究以来，水凝胶在生物医学领域的应用引起了极大兴趣。在众多天然和合成聚合物中，海藻酸盐因其天然、经济高效的特性而被最广泛地用于水凝胶合成。海藻酸盐是一种主要存在于褐藻中的阴离子多糖共聚物，是唯一每个重复单元均含羧基的天然多糖聚合物，其重复单元由古洛糖醛酸和甘露糖醛酸组成。海藻酸盐凭借其高粘度、凝胶能力和高稳定性成为重要的工业多糖，广泛应用于药物制剂、稳定剂和靶向给药等领域。然而，单纯的海藻酸盐聚合物在机械强度、功能活性等方面仍存在局限，需要通过添加无机填料来增强其固有特性。

金属纳米颗粒，特别是银纳米颗粒（Ag NPs），凭借其独特的尺寸效应和表面效应，在催化、抗菌等领域展现出广阔的应用前景。但裸露的金属纳米颗粒对组织和细胞具有一定毒性，需要将其负载到生物相容性的聚合物基体中。海藻酸盐因其良好的生物相容性、生物可降解性、抗菌活性、亲水性和无毒性，成为负载和稳定金属纳米颗粒的理想选择。此外，Withania Coagulans作为一种具有重要药用价值的植物，其含有的黄酮类、生物碱和酚类化合物等生物活性成分，既可作为还原剂绿色合成Ag NPs，又可作为封端剂防止颗粒团聚。将植物提取物和生物源性Ag NPs引入海藻酸盐基体，旨在构建一种兼具催化降解和抗菌功能的多功能纳米复合水凝胶材料，以应对环境修复和伤口愈合等领域的实际需求。

二、研究内容概述

本研究以海藻酸钠为聚合物基体，分别使用W. Coagulans植物粗提物及其介导合成的生物源性Ag NPs作为交联剂和填料，制备了多种纳米复合水凝胶薄膜（Alg-CE1、Alg-CE2、Alg-CE3和Alg-Ag1、Alg-Ag2、Alg-Ag3）。研究通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散光谱（EDS）对材料的官能团、表面形貌和元素组成进行了全面表征，并系统评估了所制备水凝胶对亚甲基蓝（MB）、对硝基苯酚（PNP）和甲基橙（MO）的催化还原性能以及对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌活性。

三、主要技术方法

研究人员采用了以下关键技术手段开展研究：其一，采用植物提取物绿色合成法，将W. Coagulans全植物粉末在甲醇-水（3：7）混合溶剂中浸提一周，经旋转蒸发获得固体粗提物，并配制1%、2%、3%三种浓度的粗提物溶液；其二，在80 °C、300 rpm搅拌条件下，将三种浓度的粗提物分别与5 mM硝酸银溶液等体积混合反应30分钟，制备生物源性Ag NPs（Ag1、Ag2、Ag3）；其三，采用溶液浇铸成膜法，将海藻酸钠溶解于上述粗提物或Ag NPs溶液中，于80 °C下搅拌30分钟后浇铸成膜；其四，利用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）在NaBH₄存在条件下监测污染物的时间依赖性降解过程；其五，采用改良琼脂孔扩散法评估材料的抗菌活性，以Mueller-Hinton琼脂为培养基，在37 °C下培养24小时后测量抑菌圈直径。研究使用的W. Coagulans植物材料采集后经蒸馏水洗涤、阴干、研磨成细粉后制备提取物。

四、研究结果与讨论

（一）FTIR分析

通过FTIR对纯海藻酸盐薄膜及Alg-Ag1、Alg-Ag2、Alg-Ag3纳米复合薄膜的官能团进行了表征。所有样品在3300 cm^-1处出现宽峰，归因于O-H键的不对称伸缩振动，该峰在Alg-Ag2和Alg-Ag3中向低波数方向移动至3275 cm^-1，表明聚合物与Ag NPs之间存在广泛的网络交联作用并降低了能量。2922 cm^-1处的短峰归因于C-H不对称伸缩振动，1594 cm^-1处的尖锐强吸收峰表明羰基的存在，1440 cm^-1处的吸收峰归因于CH₂弯曲振动，1027 cm^-1处的尖锐C-O弯曲振动峰和890 cm^-1处的取代C-H弯曲振动峰证实了植物次级代谢产物的掺入。1408 cm^-1处的吸收可能归因于C=C或CH₂弯曲振动，1296 cm^-1处为-CH₃振动峰。不同样品中各峰吸收位置的轻微移动归因于Ag NPs负载量的差异，证实薄膜以海藻酸盐聚合物为基底，Ag NPs的添加引起了各官能团吸收位置的轻微偏移。

（二）FESEM分析

FESEM用于观察纳米复合薄膜的结构形貌。图像显示Ag NPs在海藻酸盐聚合物基体中均匀、均质地分布。Alg-Ag1样品中可见较小的颗粒以亮点形式分布于黑色背景上；Alg-Ag2样品中出现一些沟槽和白色团块，可能表明NPs发生了聚集和成核；Alg-Ag3样品呈现出类似形态但团块尺寸更大，且Ag NPs分布均匀。这些沟槽可能是由于表面的粗糙和不规则形态所致，可为表面提供活性位点；白色斑点则归因于Ag NPs的存在及其积累聚集。FESEM图像清晰地表明海藻酸盐生物聚合物成功包埋了Ag NPs，凸显了Ag NPs与聚合物基底之间复杂的相互作用。

（三）EDS分析

EDS用于分析合成纳米复合薄膜的元素组成。Alg-Ag1中银（Ag）含量约为2.66%（质量分数），同时存在碳（C）和氧（O）元素；Alg-Ag2中Ag含量约为2.69%（质量分数），同样含有C和O元素；Alg-Ag3中Ag含量为2.86%（质量分数），且含有C、O以及不同质量百分比的钠（Na）和钙（Ca）元素。这些结果证实了纳米复合薄膜的成功合成，验证了其利用海藻酸盐和银NPs独特性能的潜在应用价值。

（四）催化降解污染物研究

催化实验采用30 mg Alg-Ag3薄膜，在0.5 mL、40 mM NaBH₄溶液存在下，分别考察了对MB（0.08 mM）、PAO（0.08 mM）和4-NP（0.15 mM）的还原降解性能。

在MB降解实验中，无催化剂时MB仅去除28.5%；加入Alg-Ag3后，降解效率显著提升至90.5%，表观速率常数k_app为1.5 ×10^-1 min^-1。MB还原生成无色的亚甲基白（leuco-MB），在257 nm附近出现的新吸收带证实了还原产物的形成。

在PNP还原实验中，无催化剂条件下仅观察到5.3%的转化。加入Alg-Ag3后，4-NP在400 nm处的特征吸收峰随反应进行逐渐降低，同时在295 nm附近出现新吸收带，证实还原产物4-氨基苯酚（4-AP）的形成，最终还原效率达56.6%，k_app为3.5 ×10^-2 min^-1。

在MO降解实验中，无催化剂时仅去除24.2%。加入Alg-Ag3后，NaBH₄在偶氮（-N=N-）键处还原MO，生成较小分子量的胺基产物，去除效率达85.3%，k_app为8.0 ×10^-2 min^-1。在约252 nm处逐渐增强的新吸收峰归因于还原过程中含-NH₂中间体的形成。

研究人员还将Alg-Ag3用于MB和PNP混合体系的同步催化还原。结果显示两种污染物的特征吸收峰均随反应时间逐渐降低，证实催化剂能有效催化多组分体系。MB的去除速度快于PNP，这可归因于分子结构、吸附行为和电子转移动力学的差异。此外，与文献报道的其他海藻酸盐基Ag NPs催化剂相比，本研究的Alg-Ag3在12分钟内即可实现MB的完全还原，k_app为1.5 ×10^-1 min^-1，降解率为90.5%，催化效率优于多数已报道的同类材料。

（五）抗菌活性评估

研究以革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（S. aureus）为模型菌株，采用改良琼脂孔扩散法评估了粗提物、纯海藻酸盐及其对应纳米复合物的抗菌活性。结果表明，纯海藻酸盐凝胶的抑菌圈约为14 mm，植物粗提物为15 mm，两者对S. aureus的活性相当。Ag1和Ag2 NPs的活性高于海藻酸盐和粗提物，但Ag3仅表现出15 mm的抑菌圈，这可能归因于Ag3 NPs较大的颗粒尺寸。将粗提物和Ag NPs掺入海藻酸盐基体后，由于聚合物基底与活性组分之间的协同效应，抗菌活性显著增强。各复合材料的抑菌圈范围为18-23 mm，其中表3数据显示Alg-Ag1为21 mm，Alg-Ag2为23 mm，Alg-CE1和Alg-CE2均为20 mm，显示出最佳的抗菌性能。这种增强的抗菌活性主要归因于银固有的抗菌本质，其能够破坏细菌细胞膜并抑制重要的细胞过程。研究人员同时指出，NPs的浸出行为在催化和生物医学应用中至关重要，但本研究未对此进行测定，这是当前工作的局限性，将在未来研究中加以考虑。

五、讨论与结论总结

在讨论部分，研究人员指出生物资源材料在技术进步中的重要意义，海藻酸盐作为典型代表，通过植物提取物和生物源性Ag NPs的交联作用展现了其多功能性。研究还发现，海藻酸盐聚合物与植物粗提物或生物源性Ag NPs的优化配比对抗菌活性的发挥具有重要影响。值得注意的是，催化性能的提升主要归因于Ag?纳米颗粒在海藻酸盐基体中的良好分散，这些颗粒充当活性催化位点，促进电子从电子供体BH₄^-向作为电子受体的污染物分子转移。

研究结论明确表明：本研究中合成的海藻酸盐基水凝胶在污染物催化还原方面表现出优异的性能，其中对MB的降解效率最高，可在12分钟内完成；在抗菌方面，水凝胶对S. aureus表现出良好的活性，其中Alg-Ag2复合材料表现出最高的抗菌活性。研究同时得出，海藻酸盐聚合物与植物粗提物或其生物源性Ag NPs的优化比例能够增强抗菌性能。总体而言，这些合成水凝胶代表了生物启发材料在解决当代伤口愈合等难题方面的巨大潜力。然而正如讨论部分所指出的，NPs的浸出特性尚未测定，这一局限性需要在未来的研究中加以解决，以实现材料在实际应用中的安全性和稳定性的全面评估。该研究成果发表在《Desalination and Water Treatment》期刊上，为多功能生物基纳米复合材料的开发提供了重要的理论依据和实验参考。