表面活性剂驱动的银纳米胶体稳定化技术及其在生物和环境领域的应用

《Surfaces and Interfaces》：Surfactant-driven stabilization of silver nano colloids for biological and environmental applications

银纳米胶体（SNCs）表面活性剂辅助合成及其与生物大分子相互作用研究。采用葡萄糖还原法制备含离子和非离子表面活性剂的SNCs，通过UV-Vis、荧光光谱、动态光散射及TEM表征其特性，发现表面活性剂影响蛋白构象和DNA结合。通过MTT实验、种子发芽毒性和斑马鱼胚胎毒性评估，证实含Tween 60的SNCs生物相容性最佳且毒性最低。

　　

作者名单：Shruti G. Bhatkalkar、Shagufta Khan、Dinesh Kumar、Ahmad Ali、Pamela Jha、Kanchanlata Tungare、Mustansir Bhori、Shweta Sharma、Shilpee Sachar

印度孟买大学化学系，Vidyanagari，Santacruz (E)，孟买 400098

摘要

纳米胶体系统的表面和界面性质受到其形成过程中化学环境的强烈影响。在本研究中，我们探讨了关键生物分子（如牛血清白蛋白（BSA）、人血清白蛋白（HSA）、胶原蛋白和脱氧核糖核酸（DNA）与表面活性剂辅助的银纳米胶体（SNCs）之间的相互作用，其中表面功能化是在合成过程中实现的。表面活性剂辅助的银纳米胶体是通过在离子型和非离子型表面活性剂存在下使用葡萄糖介导的化学还原方法合成的，从而获得了具有明确表面化学性质的稳定胶体系统。这些纳米胶体通过紫外-可见光谱、荧光光谱、动态光散射、透射电子显微镜和选区电子衍射进行了表征。通过光谱和凝胶电泳研究了表面活性剂辅助的SNCs与关键生物分子之间的相互作用。硬脂酸钠和非离子型表面活性剂促进了SNCs与蛋白质之间的最强结合。在非离子型表面活性剂存在下，HSA和胶原蛋白的结构基本保持不变。通过蛋白质变性抑制试验评估了表面活性剂辅助的SNCs的抗炎潜力，发现Tween 60在促进银纳米胶体与蛋白质结合和长期生物相容性方面表现最佳。

此外，通过对人类皮肤成纤维细胞（HDF）和人类结肠癌细胞（HT-29）细胞系的MTT实验、Vigna radiata种子的植物毒性测试以及斑马鱼胚胎的体内毒性评估，实现了对生物相容性和毒性的多模型评估。通过对多种生物相关大分子的并行评估，并将这些表面水平相互作用数据与多模型生物相容性和毒性结果明确整合，本研究开发出了一种实际可用且具有生物相容性的Ag-SNC系统，其在生物医学和环境应用方面具有广阔前景。

引言

由于其独特的物理化学特性和高度可调的表面化学性质，贵金属纳米颗粒在许多科学领域一直备受关注[1,2]。其中，银纳米颗粒（Ag NPs）由于具有广谱抗菌活性，并在消费品和生物医学产品（包括纺织品、食品包装、伤口敷料、化妆品和药物制剂）中的广泛应用而尤为突出[3,4]。现已明确，基于Ag NPs的系统的性能、稳定性和安全性主要受表面化学和界面组织的影响，而不仅仅是金属核心本身[5,6]。 关键界面参数（如颗粒大小、表面电荷、胶体稳定性和聚集行为）对纳米颗粒与生物和环境系统的相互作用具有决定性影响[7]。这些性质在水中和生物环境中受到表面功能化的强烈调节，因为纳米颗粒会迅速与生物分子结合[8,9]。表面涂层不仅增强了胶体稳定性，还调节了纳米-生物相互作用，包括蛋白质吸附、构象变化和核酸结合。因此，确定合适的表面改性剂是设计高效且安全的Ag NPs制剂的前提[[10], [11], [12], [13]]。 表面活性剂是一类多功能表面活性剂，能够调控纳米颗粒的成核、生长和胶体稳定性。尽管许多研究在合成后引入表面活性剂来调节纳米颗粒-生物分子相互作用[14,15]，但这些方法未能完全反映表面活性剂在纳米颗粒形成过程中就已建立的表面化学和界面组织的影响[16,17]。相比之下，表面活性剂辅助的银纳米胶体系统在合成过程中就集成了表面活性剂，从而形成了内在功能化的持久表面层。这些表面层在任何生物相互作用之前定义了主要的表面化学性质、界面水合状态和胶体结构，为纳米-生物研究提供了根本不同的平台[[18], [19], [20]]。 当暴露于生物环境中时，Ag NPs会与蛋白质和核酸发生相互作用，形成动态的纳米-生物界面，影响生物分布、细胞摄取和毒性[6,21]。蛋白质的结构变化、变性以及DNA的相互作用对纳米颗粒的表面特性（包括表面钝化、电荷分布和界面水合状态）非常敏感[10,22]。因此，系统地研究表面活性剂控制的表面化学与生物分子结构完整性和生物反应之间的联系对于合理设计基于Ag NPs的系统至关重要。 先前的研究表明，表面功能化在平衡Ag NPs的生物活性和毒性方面起着关键作用。聚合物和表面活性剂包覆的纳米颗粒（如壳聚糖或Tween稳定的系统）可以在保持强抗菌活性的同时，降低对正常细胞的细胞毒性[7,21]。光谱分析表明，Ag NPs与血清蛋白质（如牛血清白蛋白）的结合受静电和疏水相互作用的影响，导致构象变化，这种变化取决于表面化学[12]。表面活性剂的类型也会影响纳米颗粒的稳定性、表面电荷和杀菌效果，阳离子、阴离子和非离子表面活性剂表现出不同的效果[18]。混合表面活性剂-蛋白质涂层可增强纳米颗粒的稳定性，调节界面蛋白质相互作用，并改善生物性能，包括靶向癌细胞和降低毒性[21]。这些研究强调了表面活性剂介导的界面化学在定义Ag NPs系统的物理化学性质和生物结果中的关键作用。然而，大多数研究（包括我们之前的工作）仅关注了一部分表面活性剂，并主要关注纳米颗粒-蛋白质相互作用的光谱描述，而没有系统地将表面活性剂化学与多层面的生物安全性联系起来。仍需要一个综合的表面科学框架，以便将表面活性剂稳定的银纳米胶体的纳米-生物界面行为与相关体外模型中的生物相容性联系起来。 在本研究中，通过对银纳米胶体（Ag-SNCs）进行全面的表面活性剂筛选，使用定量结合和结构分析绘制其与关键生物分子（血清白蛋白、胶原蛋白和质粒DNA）的相互作用图谱，并在人类皮肤成纤维细胞、HT-29细胞、斑马鱼胚胎和Vigna radiata幼苗中进行分层毒性评估，确定了Tween 60稳定的Ag-SNCs作为一种稳定且生物相容的候选制剂。 试剂信息 硝酸银（AgNO3）（99%）、氢氧化钠颗粒（98%）、Tween 80（98%）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）（98%）、冰醋酸（98%）、磷酸二氢钾和磷酸二氢钾购自SDFCL。无脂肪的牛血清白蛋白（BSA）（99%）、人血清白蛋白（HSA）（99%）、胶原蛋白（99%）、十二烷基硫酸钠（SDS）（99%）、十二烷基二甲基溴化铵（DDAB）（99%）、十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）（99%）等试剂也均从相应供应商处获得。 银纳米胶体的稳定性 在研究纳米颗粒分散体时，胶体稳定性是一个必须考虑的重要因素。有效的胶体稳定性可促进纳米颗粒在体内的扩散和摄取，在评估生物环境中的浓度依赖性生物分子相互作用时尤为重要。观察到CTAB-SNCs、SDS-SNCs、硬脂酸钠-SNCs、脱氧胆酸钠-SNCs和Tween 80-SNCs具有长期胶体稳定性（超过90天）。 结论 成功合成了表面活性剂稳定的银纳米胶体（SNCs），并系统地研究了其与关键生物分子（如血清白蛋白、胶原蛋白和DNA）的相互作用。紫外-可见光谱和荧光研究，结合电泳分析表明，Tween 60及相关非离子或阴离子表面活性剂包覆的SNCs保持了白蛋白、胶原蛋白和DNA的结构完整性，而CTAB和SDS基系统则改变了蛋白质的构象。 CRediT作者声明 Shruti G. Bhatkalkar： 方法学设计、数据分析、调查、撰写 - 原初草稿 Shagufta Khan： 数据管理、数据分析及撰写 - 原初草稿 Dinesh Kumar： 调查、数据可视化、撰写 - 审稿与编辑 Ahmad Ali： 监督、数据可视化、撰写 - 审稿与编辑 Pamela Jha： 方法学设计、监督、数据可视化、撰写 - 审稿与编辑 Kanchanlata Tungare： 方法学设计、数据可视化、数据分析、撰写 - 审稿与编辑 Mustansir Bhori： 资源协调、文件整理 本文的研究数据 研究数据可应要求提供。 作者贡献声明 Shruti G. Bhatkalkar： 方法学设计、数据分析、调查、撰写 - 原初草稿 Shagufta Khan： 数据管理、数据分析及撰写 - 原初草稿 Dinesh Kumar： 调查、数据可视化、撰写 - 审稿与编辑 Ahmad Ali： 监督、数据可视化、撰写 - 审稿与编辑 Pamela Jha： 方法学设计、监督、数据可视化、撰写 - 审稿与编辑 Kanchanlata Tungare： 方法学设计、数据可视化、数据分析、撰写 - 审稿与编辑 Mustansir Bhori： 资源协调、文件整理 CRediT作者贡献说明 Shruti G. Bhatkalkar： 撰写 - 原初草稿、数据可视化、调查、方法学设计 Shagufta Khan： 撰写 - 审稿与编辑、数据验证、方法学设计 Dinesh Kumar： 撰写 - 审稿与编辑、调查 Ahmad Ali： 撰写 - 审稿与编辑、数据验证、监督 Pamela Jha： 撰写 - 审稿与编辑、数据验证、监督 Kanchanlata Tungare： 撰写 - 审稿与编辑、数据验证、调查 Mustansir Bhori： 撰写 - 审稿 利益冲突声明 作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系： 无需要声明的利益冲突