综述：金属酞菁作为多功能比色传感平台

《Journal of Molecular Structure》：Metal Phthalocyanines as Versatile Platforms for Colorimetric Sensing

本研究采用Parkia timoriana绿合成法，首次通过超声辅助合成TiO?-ZnO纳米复合材料，并评估其抗菌、抗癌活性及药物释放效率。XRD、FE-SEM、EDX和FT-IR分析证实其结构及球形形貌，体外实验显示对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等有效，IC50为37.07 μg/ml，分子对接分析进一步支持其生物活性，有望用于环境修复和医疗领域。

　　

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摘要

环保型纳米颗粒的制备最近受到了研究人员的关注。本研究介绍了一种利用Parkia timoriana制备双金属氧化物的可持续方法。首次通过超声辅助的绿色合成方法制备了TiO₂-ZnO纳米复合材料，并评估了其抗菌和抗癌活性，旨在用于环境修复。采用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）结合能量色散X射线光谱（EDX）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对TiO₂-ZnO纳米复合材料进行了全面表征。XRD分析显示，ZnO、TiO₂和TiO₂-ZnO纳米复合材料的平均晶粒尺寸分别为41 nm、52 nm和38 nm。FE-SEM观察表明这些纳米复合材料呈近似球形。通过体外分析证实了TiO₂-ZnO纳米复合材料具有抗癌、抗菌和药物释放等生物活性，并通过分子对接分析进一步验证了这些活性。抗菌活性测试针对多重耐药性病原菌株大肠杆菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumonia），结果显示有效。抗癌活性分析表明其对A549肺癌细胞系的IC₅₀值为37.07 μg/ml。使用水凝胶药物释放方法分析TiO₂-ZnO纳米复合材料的药物释放效率，发现24小时培养后约有100%的药物被释放。通过计算机模拟（in silico）分析了其对多重耐药性细菌株和肺癌相关蛋白（如TEM52 Beta-Lactamase、MarR、O-acetyl-L-serine sulfhydrylase A holoenzyme和EGFR kinase）的结合能，分别为-198.8、-197.54、-192.07、-161.17 kcal/mol。TiO₂-ZnO纳米复合材料在RB3LYP/6-31g（d）材料中表现出最低的HOMO-LUMO能隙（3.3262 eV）、最大的偶极矩（4.9880 Debye）和最低的化学硬度（0.12224 eV），表明其具有较高的化学反应性和生物活性。这些发现突显了TiO₂-ZnO纳米复合材料在生物医学应用中的潜力。

引言

纳米技术是研究和应用具有独特光学特性和量子效应的纳米材料的技术，使其适用于生物医学领域[1,2]。如今，健康和食品行业对纳米技术的关注日益增加。研究表明癌症是全球主要的健康问题之一，也是第二大死亡原因[3]。抗生素的过度使用会干扰细菌的DNA代谢过程，但其副作用可能包括过敏、胃肠道、血液系统及其他疾病。使用生物相容性纳米材料可以预防这些副作用。由于纳米材料对健康细胞的低毒性、易获得性以及显著的抗菌效果，它们在医学中的应用越来越广泛[4,5]。有机抗菌剂通常具有挥发性，且部分材料会产生有毒分解产物。相比之下，无机抗菌材料具有稳定性更好、更环保的优势，因此研究人员对开发基于无机材料的抗菌剂非常感兴趣。

值得注意的是，金属氧化物及其复合材料能够产生活性氧物种，并具有电子捐赠特性，因此因其惊人的潜力和独特性质而受到许多研究人员的关注[6]。众所周知，不同化合物的组合可以形成具有优异介电性能的新复合材料，近年来引起了广泛的技术兴趣[7]。许多研究人员最近发现了不同金属氧化物复合材料的双重功能[8],[9],[10],[11]。通过将不同类型的聚合物与氧化物结合，也可以制备出具有增强电子特性的新型复合材料[12]。金属氧化物纳米复合材料可通过其表面的正电荷与微生物膜上的负电荷结合直接攻击微生物[13]。由于含有大量反应性原子、较大的表面积和丰富的空位，金属氧化物在染料降解、电化学传感器和生物应用中备受青睐[14]。ZnO和TiO₂纳米颗粒作为无机抗菌剂因无毒、宽带隙（ZnO为3.2 eV，TiO₂为3.0 eV）、高化学稳定性及低成本而受到广泛关注[15,16]。然而，还存在具有优异电子特性的其他类型氧化物[17,18]。

绿色合成方法是一种安全环保的技术，因此最近受到了研究人员的关注。该方法有助于制备生物相容性更强、更稳定的纳米颗粒，适用于大规模生产，并避免了不必要的化学物质使用。Samar等人[19]报告称，从Chenopodium album叶片中提取的ZnO纳米晶体对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有抗菌作用。G. Kamarajan等人[20]使用Acalypha indica叶片提取物通过溶胶-凝胶法制备了ZnO纳米颗粒，并将其作为光催化剂用于对抗枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和大肠杆菌（Escherichia coli）。Ravi Saini等人[21]利用Tinospora cordifolia的提取物成功合成了TiO₂纳米颗粒，并证明其对大肠杆菌具有抑制作用。

不幸的是，无机抗菌剂的活性完全依赖于其激活过程中的离子释放能力。文献表明，异质结材料通过改善界面处的电子分离和迁移表现出良好的光催化和生物活性。因此，TiO₂和ZnO的复合材料具有更高的稳定性、化学活性和减少ZnO表面陷阱中心的能力，从而增强了抗菌和光催化效果[14]。此外，颗粒大小和形态对抗菌活性有很大影响。纳米复合材料颗粒越小，表面积与体积比越高，越容易穿透细胞膜并杀死细菌。已有许多关于TiO₂-ZnO复合材料在光催化和抗菌研究中的潜在效果和应用的报道[22],[23],[24],[25],[26],[27]，但TiO₂-ZnO复合材料在抑制细菌生长方面的效果仍需进一步验证。从公共卫生的角度来看，本研究旨在通过盘扩散和体外方法实现TiO₂-ZnO纳米复合材料的绿色合成，并研究其抗菌和抗癌活性。

植物提取物制备

从印度泰米尔纳德邦的Thandallam村收集了Parkia timoriana树皮。为去除灰尘，树皮用水多次清洗并在阴凉处风干一周，随后在50°C下烘干12小时，然后研磨成细粉。将5克树皮粉加入100毫升去离子水中，在50°C下搅拌2小时。最后，将所得水溶液用滤纸过滤并储存在4°C下。

TiO₂/ZnO纳米复合材料的生物合成

使用了纯度为99.8%的醋酸锌（Zn(OAc)₂和纯度为99.7%的商业TiO₂

XRD分析

使用XRD分析了ZnO、TiO₂和ZnO/TiO₂复合材料的相结构，结果如图1所示。ZnO的衍射峰出现在2θ值为31.23°、34.82°、36.48°、47.41°、56.67°、62.24°、66.52°、67.75°、69.46°、72.58°和76.19°，分别对应于(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)、(201)、(004)和(202)晶面，证实了ZnO的六方相结构（JCPDS卡片编号36-1451）。TiO₂的衍射峰也出现在相应位置

结论

综上所述，通过超声辅助的绿色合成方法制备的TiO₂-ZnO纳米复合材料表现出良好的抗菌和抗癌活性。通过XRD、FE-SEM、EDX和FT-IR分析了其结构、形态和功能特性。FE-SEM结果表明，超声方法能有效制备出球形的异质结纳米复合材料。

致谢

作者感谢Chennai的Saveetha大学Saveetha医学与技术科学学院的Saveetha医学院和医院对本研究的支持。

作者贡献声明

ST、AMV：负责原始草稿的撰写、概念设计、写作、审稿、编辑及项目监督；VS、SC：负责可视化处理和资金筹集；DR：负责数据验证和形式分析。

数据声明

本研究未涉及任何数据。

作者贡献声明

西拉姆巴拉桑·塔米尔·塞尔万（Silambarasan Tamil Selvan）：负责撰写原始草稿、可视化处理、数据验证、项目监督和方法设计；阿鲁拉鲁阿苏（Arularasu. MV）：；维马尔（Vimal. S）：；丹达帕尼（Dhandapani. R）：；塞尔瓦库马尔（Selvakumar. C）：；拉瓦尼亚（Lavanya. R）：

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。