玉米芯废料衍生的碳质材料：通过热解、水热碳化和露天焚烧获得的材料的生物相容性差异及其在突触体模型中对Cu2+神经毒性的调节作用

《RSC Advances》：Carbonaceous materials derived from corn cob waste via pyrolysis, hydrothermal carbonization and open burning: contrasting biocompatibility and Cu2+ neurotoxicity modulation in a synaptosome modelOpen Access

　　

本研究通过三种不同的“绿色”方法从未经表面功能化的玉米芯农业废弃物中获得了三种不同类型的碳质纳米颗粒/材料。研究人员对通过两步热解法在600 °C下合成的玉米芯生物炭（PB）、通过水热法在180 °C下合成的碳点（CD）以及通过露天焚烧制备的烟雾颗粒物（SP）进行了比较分析，评估了它们在大鼠皮层突触前神经末梢模型（突触体）中的生物相容性和对Cu2+的吸附能力。结果表明，PB在0.1–1.0 mg mL-1浓度范围内未改变抑制性神经递质[3H]GABA和兴奋性神经递质L-[3H]谷氨酸的突触体外水平，而CD和SP分别在0.5和0.1 mg mL-1起始浓度下增加了这些神经递质的水平。荧光研究表明，PB未改变神经末梢的线粒体膜电位，而CD和SP均显著去极化线粒体膜。在急性重金属诱导神经毒性的动物模型中，研究发现不同碳质材料影响Cu2+诱导神经毒性的能力不同。具体而言，PB显著减轻了Cu2+对突触体外神经递质水平的损伤效应，而CD和SP则以协同方式进一步加剧了Cu2+诱导的神经毒性。在质膜和线粒体膜电位的荧光测量中，PB缓解了Cu2+诱导的膜去极化，而CD和SP则协同性地进一步去极化神经末梢膜。此外，PB与CD/SP对神经末梢活性氧（ROS）的产生表现出不同的影响。因此，采用不同“绿色”方法从玉米芯废弃物中获得的三类碳质纳米颗粒/材料在神经末梢模型中展现出不同的生物相容性特征和对Cu2+诱导神经毒性的相反调节作用。

论文主体内容解读

1. 研究背景与目的

随着农业废弃物的持续增加以及对可持续纳米材料需求的增长，将生物质残渣转化为碳质材料成为研究热点。玉米芯作为丰富的可再生低价值废弃物，常被露天焚烧处理，造成环境污染。全球玉米年产量超过13.1亿吨，玉米芯约占收获谷物干重的15–20%，这凸显了开发其高值化转化途径的紧迫性。现有研究多关注玉米芯衍生纳米纤维素等材料的生物医学应用，但对不同热化学转化路径（如控制热解、水热碳化和不受控燃烧）所得碳质材料（如生物炭、碳点和烟尘颗粒物）的系统性比较研究不足，尤其是它们在神经系统层面的生物安全性和对重金属神经毒性的调控能力尚不明确。因此，本研究旨在：

1. 1.
   在不进行特殊表面功能化的前提下，从玉米芯废料中合成三种不同类型的“绿色”碳质微纳颗粒/材料：600 °C两步热解的生物炭（PB）、180 °C水热合成的碳点（CD）以及收集所有燃烧阶段的水悬浮烟尘颗粒物（SP）。
2. 2.
   利用大鼠皮层突触体模型，通过分析关键抑制性神经递质[³H]GABA和兴奋性神经递质L-[³H]谷氨酸的突触外水平，比较PB、CD和SP的生物相容性。
3. 3.
   在神经末梢模型中，对比研究这些纳米颗粒/材料对Cu²⁺的吸附能力及其对Cu²⁺诱导神经毒性的影响。

2. 关键技术方法

为达成上述目标，研究人员采用了以下主要技术方法：

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  材料合成与表征：通过两步热解法（600 °C）制备PB；通过水热法（180 °C）合成CD；通过实验室条件下收集玉米芯燃烧全过程产生的烟尘，并经水悬浮处理后获得SP。采用能量色散X射线光谱（EDX） 分析元素组成，透射电子显微镜（TEM） 和扫描电子显微镜（SEM） 观察形貌，紫外-可见分光光度法（UV-vis） 和傅里叶变换红外光谱（FTIR） 分析光学性质和官能团。
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  生物学评价模型：采用从成年雄性Wistar大鼠大脑皮层分离的突触体（synaptosomes） 作为离体神经末梢模型。
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  神经递质释放检测：使用放射性标记的神经递质[³H]GABA和L-[³H]谷氨酸预负载突触体，通过液体闪烁计数测定其在突触外的水平，以评估质膜完整性和膜电位状态。
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  膜电位测量：利用荧光染料罗丹明6G（Rhodamine 6G） 监测质膜电位；利用JC-1荧光染料比率法评估线粒体膜电位。
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  活性氧（ROS）检测：使用细胞可渗透的非荧光探针2',7'-二氯二氢荧光素二乙酯（H2-DCFDA），其氧化后生成荧光产物DCF，用以评估细胞内ROS产生水平。

3. 研究结果

3.1. PB和CD的物理化学表征

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  元素组成：EDX分析显示，PB主要由碳（约80%）和少量氧（约13.5%）构成；而CD的碳含量较低（约48%），氧含量较高（约36%），表明CD含有更丰富的含氧官能团。两者均含有氮及源自玉米芯的生物元素。
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  形貌特征：TEM显示PB由约20 nm的不规则颗粒组成，这些颗粒会聚集形成可达200–300 μm的聚集体。SEM观察到CD沉积后形成两种形态：由轻元素构成的圆形“薄片”（碳质材料聚集体）和富含重元素的针状聚集体（无机盐晶体）。根据发光特性，研究人员推断CD中存在约2 nm大小的碳量子点。
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  光谱性质：CD的UV-vis光谱在213 nm和280 nm处有两个强吸收峰，分别对应芳香族C=C键的π-π跃迁和C=O基团的n-π跃迁。FTIR光谱证实PB和CD均含有羟基、氨基、羰基、羧基等多种官能团，且CD的谱带更宽，表明其官能团种类更丰富。

3.2. PB、CD和SP的神经活性比较评估

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  神经递质水平：放射性标记实验表明，PB在0.1–1.0 mg mL^-1浓度范围内不影响[³H]GABA和L-[³H]谷氨酸的突触外水平，显示出良好的生物相容性。相比之下，CD从0.5 mg mL^-1、SP从0.1 mg mL^-1开始，均显著增加了这两种神经递质的突触外水平，提示具有神经毒性。
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  线粒体膜电位：荧光测量结果与放射标记实验结果一致。PB不改变神经末梢的线粒体膜电位，而CD和SP则分别导致线粒体膜电位显著去极化62%和68%。

3.3. PB、CD和SP对Cu²⁺诱导神经毒性的调节能力

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  神经递质水平：PB能有效降低Cu²⁺引起的[³H]GABA和L-[³H]谷氨酸突触外水平升高，即减轻Cu²⁺的毒性。相反，CD和SP则协同性地放大了Cu²⁺的这种毒性效应，使神经递质水平进一步升高。双因素方差分析（Two-way ANOVA）证实了PB、CD、SP与Cu²⁺之间存在显著的交互作用。
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  质膜电位：PB几乎完全逆转了Cu²⁺诱导的神经末梢质膜去极化。而CD和SP则与Cu²⁺产生累积效应，进一步加剧了质膜去极化。
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  线粒体膜电位：PB显著减轻了Cu²⁺诱导的线粒体膜去极化。与之相反，CD和SP进一步增强了Cu²⁺导致的线粒体膜去极化。

3.4. PB、CD和SP对神经末梢ROS产生的影响

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  由于PB与DCF探针存在相互作用，本部分仅评估了CD和SP。CD和SP单独作用时，均能降低神经末梢的自发性ROS产生，表现出抗氧化特性。然而，当CD或SP预先与Cu²⁺混合后再加入时，却显著增强了Cu²⁺诱导的ROS爆发。有趣的是，在另一组实验中，CD能够有效降低另一种重金属Hg²⁺诱导的ROS产生，显示出对不同金属离子的差异性调节作用。

4. 总结与讨论

本研究系统比较了从同一玉米芯原料出发，经由三种不同热化学路径（控制热解、水热碳化和露天燃烧）获得的碳质材料（PB、CD、SP）的理化性质、神经生物相容性以及对Cu²⁺神经毒性的调节作用。研究结论如下：

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  生物相容性差异显著：通过控制热解制备的PB在高达1.0 mg mL^-1的浓度下对神经末梢无不良影响，表现出优异的生物相容性。而水热合成的CD和燃烧产生的SP则在较低浓度下即引发神经递质泄漏和线粒体功能障碍，显示出明显的神经毒性迹象。
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  对Cu²⁺神经毒性的调节作用截然相反：PB能够有效吸附Cu²⁺，从而显著缓解Cu²⁺诱导的神经递质失衡、质膜和线粒体膜去极化等神经毒性效应，发挥了保护作用。相反，CD和SP不仅不能解毒，反而与Cu²⁺协同作用，加剧了神经毒性，表现为神经递质释放更多、膜电位去极化更严重。
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  ROS调节的复杂性：CD和SP本身具有抗氧化能力，但与Cu²⁺结合后却促进了ROS的产生，这种复杂的作用模式可能与材料表面的官能团和金属离子的配位化学有关，并且对不同金属（如Cu²⁺和Hg²⁺）表现出选择性。

综上所述，该研究强调了生产方法在决定碳质纳米材料生物安全性和环境修复潜力方面的关键作用。来源于同一种农业废弃物的材料，仅仅因为制备工艺的不同，就展现出从生物相容性好、能缓解重金属神经毒性的“有益”材料到具有内在神经毒性并能加剧重金属危害的“有害”材料的巨大差异。这一发现对于指导未来基于生物质的碳材料在环境修复和生物医学领域的理性设计、风险评估和安全应用具有重要的科学意义和实践价值。