《Surfaces and Interfaces》：Single-Step preparation of Fe-doped ZnO/Fe
3O
4 nanocomposite for efficient and selective photodynamic anti-cancer applications
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Fe掺杂ZnO/Fe3O4纳米复合材料单步水热法制备，结构表征显示2.5% Fe掺杂有效，≥5%形成复合结构，带隙从3.17 eV降至2.27 eV，增强可见光吸收。体外实验显示对MDA-MB-231癌细胞IC50为49.6 μg/mL，正常细胞存活率>80%，分子对接证实与Caspase-3、BAX、BCL-2等凋亡蛋白有良好相互作用。
诺托·苏桑托·古尔托姆（Noto Susanto Gultom）|法西赫·宾坦·伊尔哈米（Fasih Bintang Ilhami）|西亚普特拉·维博沃（Syahputra Wibowo）|尤迪·努格拉哈（Yudhi Nugraha）|米斯加纳乌·阿莱穆·泽莱克（Misganaw Alemu Zeleke）|亨尼·塞蒂亚·宁西（Henni Setia Ningsih）|拉蒂法·普吉·哈斯图蒂（Lathifah Puji Hastuti）|塞尔卡·拉赫马图尼萨（Celca Rahmatunnisa）|董豪·库奥（Dong-Hau Kuo）|马蒂·霍普拉图姆（Mati Horprathum）|黄志贤（Chi-Hsien Huang）|曾宗良（Zong Liang Tseng）|费里·法伊扎尔（Ferry Faizal）
印度尼西亚苏梅当（Sumedang）贾塔尼安戈尔（Jatinangor）班东-苏梅当公路（Bandung-Sumedang Highway）21公里处，帕贾贾兰大学（Universitas Padjadjaran）物理系，邮编45363
摘要
光动力疗法（PDT）是一种利用活性和选择性光敏剂材料治疗癌症的有前景的技术。在这项研究中，我们通过系统而全面的表征方法探讨了不同铁（Fe）掺杂量对ZnO基体结构的影响。结构分析证实，在低浓度（2.5%）下铁成功掺入ZnO中，而当铁掺杂量超过5%时，则形成了Fe掺杂的ZnO/Fe3O4纳米复合材料。带隙能量从3.17 eV（Fe-0%）降低到2.27 eV（Fe-20%），从而增强了可见光的吸收。与先前报道的Fe3O4/ZnO体系相比，这种一步合成的纳米复合材料表现出更均匀的结构和更显著的带隙减小，从而实现了更优的可见光激活效果。体外MTT实验结果显示，在200 μg/mL的铁掺杂浓度下，对MA-104正常细胞的选择性光毒性作用使细胞存活率保持在80%以上；而MDA-MB-231癌细胞在635 nm光照射下的存活率急剧下降，IC50值为49.6 μg/mL。分子对接分析显示，Fe掺杂的ZnO/Fe3O4复合材料与凋亡调节蛋白（Caspase-3、BAX和BCL-2）具有良好的相互作用，这支持了其在凋亡调节中的机制作用。这些发现表明，与先前报道的Fe3O4/ZnO纳米复合材料相比，该材料在细胞毒性选择性方面有显著提升，证实了优化铁掺杂策略的有效性。这些发现凸显了Fe掺杂的ZnO/Fe3O4作为高效且选择性地进行PDT的纳米平台的潜力，同时将对正常细胞的毒性降到最低。
引言
近年来，光动力疗法（PDT）作为一种非侵入性方法被广泛用于癌症治疗，该方法通过施用光敏剂（PS）来靶向破坏癌细胞[1]。自1995年以来，PDT已被美国食品药品监督管理局（FDA）批准为治疗方法[2]。多项研究报道了PDT的潜在优势，包括诱导局部活性氧（ROS）介导的细胞死亡，具有较低的耐药性和最小的全身毒性；消除微小病灶以改善预后并预防复发；与其他疗法（如放疗、光热疗法（PTT）和化疗）的兼容性；以及支持荧光成像和靶向药物递送[[3], [4], [5]]。然而，PDT存在一些固有的局限性，如稳定性差、疏水性以及较低的细胞或组织特异性，这些因素严重阻碍了其临床应用[6]。因此，开发具有增强光学和物理化学性质的纳米剂成为提高PDT效率的有吸引力的策略。
氧化锌（ZnO）纳米颗粒因其独特的光毒性效应而被视为PDT的有希望的候选材料，这种效应可以在紫外（UV）辐射下发挥作用，可以通过高聚焦光引导至体表的肿瘤部位，或通过光纤电缆引导至内部肿瘤[7]。ZnO是一种重要的微量元素，在药物递送中得到广泛应用，因为它具有抗菌性、无毒性、成本低且生物相容性好[8,9]。此外，在生物医学应用中，ZnO的有效性主要归因于其产生ROS的能力，ROS能够诱导细胞凋亡[10,11]。ZnO表现出光电特性，在紫外照射下能引发光化学反应，产生ROS[7]。然而，纯ZnO的光能转换效率通常较低，这是由于电荷分离效率低和电荷载流子快速复合所致。近年来，将银（Ag）[12]、金（Au）[13]和铜（Cu）[14]等金属离子整合到ZnO中以增强ROS的产生。这些复合材料能够吸收光并促进光催化活性，从而增加ROS的生成。然而，高浓度的Ag在Ag/ZnO复合材料中即使在没有光照的情况下也会增加正常细胞和癌细胞的细胞毒性，主要是由于过量的ROS生成和氧化应激[12]。同样，高浓度的Cu离子也会在Cu/ZnO复合材料中引起细胞毒性[15]。此外，金的成本较高，限制了其广泛的临床应用[16]。考虑到这些缺点，Fe3O4/ZnO复合材料成为PDT的有希望的替代品，因为它能够通过类似过氧化物酶的活性增强ROS的产生，实现磁靶向以实现肿瘤的定位积累，并支持可控的药物释放。此外，它们对癌细胞表现出选择性细胞毒性，同时对正常细胞的生物相容性保持良好[17]。Fe作为电子捕获位点，可以抑制ZnO中的电荷载流子复合，从而提高Fe3O4-ZnO纳米杂化物的光物理性能[18]。据文献报道，Fe3O4-ZnO复合材料的降解效率显著提高，达到了82%，而纯ZnO仅为52%[19]。Patel等人[20]开发了一种新的叶酸偶联的Fe3O4-ZnO杂化物，在紫外照射下显示出显著的光杀伤效果，使Caco-2细胞的存活率降至6%。
与早期需要多步制备过程的Fe3O4/ZnO复合材料[21]不同，我们的方法通过一步反应环境生成所有组分，提高了可重复性和可扩展性。这种方法减少了前体不平衡，消除了中间产物的纯化步骤，并确保了Fe3O4在ZnO基质中的均匀分散，从而在各个生产批次中形成一致的异质结构。此外，该方法具有显著的成本效益，因为它减少了能源消耗、合成时间和废物产生。通过整合这些改进，本研究超越了早期的Fe3O4/ZnO和Fe掺杂ZnO的研究，提供了一种稳健、可扩展的途径，用于生产具有可重复性能的磁性可回收光催化剂，适用于生物医学应用。我们使用多种结构、表面和光学表征方法研究了不同铁浓度对ZnO/Fe3O4结构和光学性质的影响。此外，还评估了我们的Fe掺杂ZnO/Fe3O4在PDT抗癌应用中的性能，并进行了分子对接分析，以确定制备样品与凋亡调节蛋白（BAX、Caspase-3和BCL-2）的相互作用。本研究提出了一种提高ZnO在PDT抗癌应用中性能的策略，并通过表面ROS生成和与癌细胞的相互作用阐明了相应的机制。
Fe掺杂ZnO/Fe3O4的合成
Fe掺杂的ZnO/Fe3O4是通过一步水热合成方法制备的，其中铁氯化物（FeCl2）的浓度各不相同。首先，将2毫摩尔98%的醋酸锌溶解在50毫升去离子水中，以250转/分钟的恒定速度搅拌15分钟。然后，根据醋酸锌的量加入不同浓度的铁（II）氯化物（98%），分别为0%、2.5%、5%和20%，分别标记为Fe-0%、Fe-2.5%、Fe-10%和Fe-20%，并进一步
XRD分析和PSA
通过X射线衍射（XRD）技术检查了样品的晶体性质。图1a显示了不同铁掺杂量下ZnO的XRD图谱。在2θ值31.8 (100)、34.5 (002)、36.3 (101)、47.6 (102)、56.6 (110)、62.9 (103)、68.0 (112)和69.1° (021)处的峰表明ZnO属于六方纤锌矿结构，空间群为P63mc (JCPDS#36-1451)。铁掺入纯ZnO后，会取代ZnO晶格中的锌原子，形成
结论
我们成功制备了具有独特物理化学性质和强抗癌性能的Fe掺杂ZnO/Fe3O4纳米复合材料。研究发现，铁离子掺入ZnO基体结构后，不仅显著缩小了带隙（从3.17 eV降至2.27 eV），增强了可见光吸收，并提高了胶体稳定性（在10%铁掺杂时为-50.4 mV）。体外实验确认了
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致谢
本项工作得到了帕贾贾兰大学（Universitas Padjadjaran）研究、下游应用和社区参与部门的支持，合同编号为951/UN6.3.1/PT.00/2025。
