超声辅助下，利用马尾藻（Sargassum ilicifolium，一种棕色海洋大型藻类）介导的生物合成方法制备CuO纳米颗粒，并将其掺入到淀粉/PVA电纺纳米支架中。对这种纳米支架的体外安全性和抗氧化效果进行了评估

《Bioorganic Chemistry》：Ultrasonic-assisted , Sargassum ilicifolium (brown marine macroalgae)-mediated biogenic synthesis of CuO nanoparticles incorporated in starch/PVA electrospun nanoscaffolds: In vitro safety and antioxidant efficacy assessment

基于海藻Sargassum ilicifolium的超声辅助提取法成功制备了氧化铜纳米颗粒（CuO NPs），并整合至淀粉/PVA电纺纳米支架中。通过UV-Vis、FTIR、SEM和XRD等表征证实纳米颗粒均匀分散且结构稳定。抗氧化实验显示支架对DPPH、NO和·OH自由基清除率优于纯CuO NPs和藻提取物，IC50值分别为39.57、49.56和58.52 μg/mL，细胞毒性测试表明100 μg/mL浓度下细胞存活率>100%。

　　

JinJin Pei|Vanama Saketh Saran|Sivaramakrishnan R.|Gopalakrishnan Velliyur Kanniappan|Vijayalakshmi Pandurangan|Selvaraj Jayaraman|Vinoth Kumar Dhayalan|Monica Mironescu|Ion Dan Mironescu|Chella Perumal Palanisamy

广东省食品科学与技术学院，广东省水产品加工与安全重点实验室，广东省海洋生物制品工程实验室，广东省海鲜工程技术研究中心，广东省预制海鲜加工与质量控制工程技术研究中心，广东海洋大学，湛江524088，中国

摘要

本研究探讨了利用Sargassum ilicifolium提取的氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）与淀粉/聚乙烯醇（PVA）电纺纳米支架结合的合成方法、表征及其生物特性。紫外-可见光谱分析通过CuO纳米颗粒的特征电子吸收带证实了纳米颗粒的形成，这些吸收带与电荷转移和能带跃迁有关；傅里叶变换红外（FTIR）光谱则识别出功能性基团，包括Cu-O振动（2001–599 cm^?1）和聚合物相互作用（3297–842 cm^?1）。扫描电子显微镜（SEM）显示CuO纳米颗粒主要为球形，分布均匀，且电纺纳米纤维无颗粒聚集。X射线衍射（XRD）分析确认了CuO纳米颗粒的单斜晶相，其晶粒大小通过Scherrer方程计算得出。动态光散射（DLS）测得的Z-平均粒径为108 nm。与纯CuO纳米颗粒及藻类提取物相比，淀粉/PVA/CuO纳米支架表现出更强的抗氧化活性，IC₅₀值分别为39.57 μg/mL（DPPH）、49.56 μg/mL（一氧化氮）和58.52 μg/mL（超氧阴离子）。细胞毒性评估表明，在100 μg/mL浓度下细胞存活率超过100%，证明了其生物相容性。这些发现突显了CuO纳米颗粒集成纳米支架在生物医学应用中的潜力，包括抗氧化治疗。

引言

纳米技术的迅速发展开启了一个材料科学的新时代，在纳米尺度上对物质的操控使得具有前所未有的材料得以开发[1]、[2]。其中，金属氧化物纳米颗粒因其独特的物理化学性质而受到广泛关注，适用于从电子学到生物医学等多个领域[3]、[4]。特别是氧化铜纳米颗粒（CuO NPs），由于其优异的催化、光学、电学和抗菌性能而成为一类有前景的材料[5]、[6]、[7]。其相对较低的成本、丰富的资源和良好的生物相容性进一步增强了其在工业和生物医学应用中的吸引力[8]、[9]。CuO NPs在催化、抗菌系统、抗氧化疗法和生物医学工程中展现出广泛的应用前景[10]、[11]。传统的化学和物理合成方法可以精确控制颗粒大小和结晶度，但这些方法通常依赖有毒的还原剂、高能耗，并产生有害副产物，限制了其环境可持续性和生物医学应用[12]、[13]、[14]。

为应对这些挑战，利用植物提取物、微生物和海洋藻类等生物资源的绿色合成方法应运而生，成为环保的替代方案[15]、[16]。虽然植物介导的合成方法简单易行，但批次间差异、可扩展性有限以及植物化学成分的不稳定性仍是其缺点[17]、[18]。也有报道指出红藻（如Gracilaria属）可用于CuO NPs的合成，但这些体系往往以琼脂和卡拉胶多糖为主，可能导致表面功能性和生物相互作用受限[19]、[20]。

海洋大型藻类，通常称为海藻，已被证实是绿色合成金属纳米颗粒的有效生物工厂[21]、[22]。这些生物体富含多种生物活性化合物，如多糖、多酚和蛋白质，可在纳米颗粒合成过程中发挥天然还原和稳定作用[23]。与其他海洋大型藻类相比，Sargassum ilicifolium含有更高比例的硫酸化多糖（岩藻多糖）和藻酸盐，这些成分在纳米颗粒形成过程中起到协同的还原和稳定作用[24]。在超声辅助提取下，这些生物分子能更有效地释放，促进CuO纳米颗粒的均匀成核和分散，从而提高胶体稳定性，这一点通过测得的ζ电位和粒径分布得到证实[25]。S. ilicifolium原产于印度洋沿岸地区，包括泰米尔纳德邦的海岸，传统上被用于当地医学，并以其抗菌、抗氧化和抗炎特性而闻名[26]。

在纳米颗粒合成中使用S. ilicifolium具有显著优势[27]。该海藻中的生物活性化合物（如岩藻多糖、藻酸盐和多种酚类化合物）能有效将金属离子还原为相应的纳米颗粒，同时对其进行封端和稳定[28]。这种双重功能不仅简化了合成过程，还为最终的纳米颗粒赋予了额外的生物活性[29]。先前的研究已成功利用S. ilicifolium提取物制备银和金纳米颗粒，凸显了这种海藻在绿色纳米技术应用中的潜力[30]。

随着绿色合成方法的发展，人们对用于生物医学应用的纳米纤维支架的制备也越来越感兴趣[29]。电纺技术是一种多功能且经济高效的方法，可生产直径从几十纳米到几微米的连续纳米纤维[31]。这些纳米纤维结构模拟了生物组织的细胞外基质，使其成为组织工程、伤口愈合和药物递送的理想候选材料[32]。将CuO NPs等生物活性纳米颗粒掺入电纺支架中，可进一步提升其抗菌活性、机械强度和生物相容性[33]。

聚乙烯醇（PVA）是一种广泛应用于电纺的合成聚合物，因其优异的成膜性能、生物降解性和生物相容性[34]。然而，纯PVA可能缺乏某些特定应用所需的生物活性。为此，可将天然聚合物（如淀粉）与PVA混合，制备出兼具合成聚合物机械强度和天然聚合物生物特性的复合支架[36]。淀粉是一种由直链淀粉和支链淀粉组成的多糖，具有生物降解性、无毒性和固有的生物活性，是制备支架的理想选择[37]。

将绿色合成的CuO NPs整合到PVA-淀粉纳米纤维支架中，为开发先进生物材料提供了多方面的途径[38]。CuO NPs可为支架赋予抗菌和抗氧化性能，这对于预防感染和促进伤口愈合至关重要[39]。此外，使用S. ilicifolium提取物制备CuO NPs确保了整个制造过程符合绿色化学原则，减少了环境影响并提高了最终产品的生物相容性[40]。

尽管这种方法具有巨大潜力，但仍需进行全面的研究，以探讨这类复合支架的合成、表征和生物评估[36]。具体而言，研究合成CuO NPs的物理化学性质、其在电纺PVA-淀粉基质中的成功整合以及其生物活性对于验证其在生物医学领域的应用至关重要[41]。

本研究采用超声辅助提取策略，有效增强了S. ilicifolium中生物分子的释放，从而实现了CuO NPs的有效还原和稳定。与以往主要关注单独纳米颗粒的研究不同，本研究将CuO NPs整合到淀粉/PVA电纺纳米支架中，结合了绿色合成和生物相容性聚合物基质的优点。虽然当前研究侧重于体外安全性和抗氧化效果，但体内验证的缺失是一个局限性，未来将进一步探讨。

化学试剂与材料

五水合硫酸铜（CuSO₄·5H₂O，分析级）、淀粉（分析级）和聚乙烯醇（PVA）购自美国Sigma-Aldrich公司。二甲基亚砜（DMSO，≥99.5%，分析级）和抗坏血酸（≥99%，分析级）购自印度Merck公司。Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）、胎牛血清（FBS）、青霉素-链霉素溶液和MTT试剂购自美国Gibco公司。所有化学品均按原样使用，无需进一步纯化。

紫外-可见光谱分析

使用JASCO V-730分光光度计对S. ilicifolium提取物和合成的CuO NPs进行了紫外-可见光谱分析（图1），测量波长范围为200至800 nm，间隔1 nm。S. ilicifolium提取物在348 nm处显示出明显的电子吸收带，光谱数据也证实了这一现象。相比之下，生物合成的CuO NPs也表现出明显的电子吸收特征

讨论

本研究重点关注了利用S. ilicifolium提取物制备的CuO NPs的绿色合成、物理化学表征和生物功能评估，以及将其整合到淀粉/PVA电纺纳米支架中的过程。所采用的多种分析技术（紫外-可见光谱、FTIR、XRD、SEM、TGA、DLS、ζ电位测量、细胞毒性和抗氧化试验）为合成纳米材料及其潜在的生物医学应用提供了深入理解

CuO纳米颗粒的形成机制与生物相互作用

利用Sargassum ilicifolium提取物生物合成CuO纳米颗粒的过程主要受天然存在的植物化学物质（如酚类化合物、多糖和其他还原剂）的调控[67]。这些生物分子有助于将铜离子还原为CuO核，并作为稳定剂和封端剂，防止颗粒过度聚集并改善其表面功能。超声辅助提取技术的应用进一步促进了这一过程

局限性与未来展望

尽管本研究成功实现了CuO NPs的绿色合成，并将其有效整合到淀粉/PVA电纺纳米支架中，表现出良好的体外抗氧化活性和细胞相容性，但仍存在一些局限性。首先，生物评估仅限于使用3T3-L1细胞系的体外实验。尽管这些结果为生物相容性提供了初步见解，但体内验证是必要的，以全面评估其实际应用效果

结论

本研究采用超声辅助方法成功实现了S. ilicifolium介导的氧化铜纳米颗粒的绿色合成，并将其整合到淀粉/PVA电纺纳米支架中。结构和形态学分析证实了单斜晶相CuO纳米颗粒的形成，其在无颗粒聚集的纳米纤维支架中分布均匀。所开发的纳米支架在体外实验中表现出优异的细胞相容性，细胞存活率超过100%

作者贡献声明

JinJin Pei：撰写初稿、数据可视化、结果验证、资源准备、方法设计、实验设计、数据分析、概念构建。Vanama Saketh Saran：撰写初稿、数据可视化、结果验证、资源准备、方法设计、实验设计、数据分析、概念构建。Sivaramakrishnan R.：数据可视化、结果验证、资源准备、方法设计、实验设计、数据分析。Gopalakrishnan Velliyur Kanniappan：数据可视化

资助

本研究由Lucian Blaga Sibiu大学通过LBUS-IRG-2023研究项目资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。