α-Fe?O?和MnO?纳米粒子的合成及其通过硫脲功能化转化为Fe?O?和Mn?O?的过程，以此增强透明质酸（HA）的产量

本研究合成α-Fe?O?、MnO?及其核壳纳米材料，经硫脲化合物修饰后显著提升细菌透明质酸（HA）产量达3倍，证实表面修饰诱导的相变及协同效应对生物合成的作用。

　　

作者：Asl?han Cesur Turgut、Fatih Mehmet Emen、Merve Kaya、Muhammad Asim Ali

土耳其布尔杜尔梅赫梅特·阿基夫·埃尔索伊大学（Burdur Mehmet Akif Ersoy University）食品、农业与畜牧业职业学院（Vocational School of Food, Agriculture and Livestock），植物与动物生产系（Department of Plant and Animal Production），邮编15100，布尔杜尔（Burdur），土耳其

摘要

在这项研究中，合成了α-Fe₂O₃和MnO₂纳米颗粒及其α-Fe₂O₃/MnO₂核壳结构，并分别用乙二胺（ethylenediamine）和4-氯苯甲酰硫脲（4-chlorobenzoylthiourea，CBT）对它们进行了表面修饰。X射线衍射（XRD）分析表明，原始的金属氧化物纳米颗粒保持了其原有的晶体相；而CBT修饰诱导了配体介导的部分还原反应，使得α-Fe₂O₃和MnO₂纳米颗粒及其α-Fe₂O₃/MnO₂核壳结构转化为Fe₃O₄和Mn₃O₄。这一转变表明Fe₃O₄和Mn₃O₄相并非直接合成，而是硫脲基表面修饰过程的产物。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实了表面修饰的成功，特征性的N–H、C=S、C=O和芳香族C–H振动表明了CBT配体的存在；扫描电子显微镜（SEM）与能量色散X射线光谱（EDX）分析显示了聚集的准球形形态及与核壳结构相符的元素组成。研究了这些功能化纳米颗粒对细菌合成透明质酸（hyaluronic acid，HA）的影响。在测试的材料中，CBT修饰的Fe₃O₄/Mn₃O₄核壳复合材料显示出最高的HA产量（95.3 ± 3.7 mg/mL），是对照组的三倍多。Fe₃O₄/Mn₃O₄@CBT复合材料的HA产量显著增加（p < 0.01），约为对照组的三倍。这种增强效果归因于配体诱导的氧化还原反应、混合金属氧化物核壳结构以及硫脲基表面化学的协同作用。这些发现表明，通过后合成相变获得的配体修饰金属氧化物纳米复合材料可以作为有效的微生物HA生物合成促进剂，同时不损害聚合物的完整性，为生物技术和化妆品应用提供了潜在的价值。

引言

透明质酸（HA）是一种天然存在的糖胺聚糖，在多种生物过程中发挥着关键作用，在医学、化妆品和组织工程等领域具有重要的应用价值。其独特的性质——高保水能力、粘弹性和生物相容性——使其能够在许多治疗场景中得到应用。HA的主要应用包括用于骨关节炎的关节粘弹性补充、通过真皮填充剂治疗皮肤老化，以及由于促进细胞迁移和增殖而用于伤口愈合[1,2]。此外，HA调节炎症反应的能力增强了其在治疗间质性膀胱炎和复发性尿路感染等病症中的潜力[1,3]。

结构上，HA是一种非硫酸化的、非蛋白多糖结合的线性生物聚合物，由交替连接的β-1,3和β-1,4-D-葡萄糖醛酸及N-乙酰-D-葡萄糖胺单元组成[4]。其粘弹性和假塑性行为取决于分子量，这使其在组织柔韧性和结构完整性方面具有生物学价值[5]，因此在制药、生物医学和化妆品行业中具有重要应用[6,7]。

传统上，HA是从鸡冠和牛组织等动物来源中提取的[8]。然而，由于污染风险和伦理问题，使用链球菌属（Streptococcus）进行微生物发酵已成为主要的生产方法[9]。生产路线大致可分为化学合成和微生物发酵两类。化学合成产生的产品分子量较低且过程复杂[10]，而微生物发酵则可以获得可控分子量的高产量[11]。常用的微生物包括Streptococcus zooepidemicus和乳酸菌菌株，它们通过酶促途径将碳底物转化为HA[12]。

最近的研究致力于优化微生物和发酵系统以提高HA产量。策略包括代谢途径工程[13]、氧化降解[14]，以及使用成本效益高的底物如奶酪乳清、大豆蛋白胨和农业副产品[15],[16],[17]。重组乳酸乳球菌菌株也被开发为高效的HA生产菌[18]。

金属离子和纳米材料已成为HA生物合成的有希望的增强剂。在氧化铁多形体中，赤铁矿（α-Fe₂O₃）因其化学稳定性、氧化还原活性和多样的表面化学性质而受到关注，使其成为催化、生物过程调节和纳米生物技术应用的有希望的候选材料[19]。添加二价离子如Fe2?和Cu2?可以通过影响戊糖磷酸途径和增强酶活性来提高HA产量[20]。此外，如Fe₃O₄这样的纳米颗粒已被证明可以刺激细菌活性并提高HA生产效率[21,22]。

在本研究中，合成了α-Fe₂O₃、MnO₂及其α-Fe₂O₃@MnO₂核壳纳米复合材料，并分别用乙二胺（((α-Fe₂O₃@MnO₂)@en）和4-氯苯甲酰硫脲（((Fe₃O₄@Mn₃O₄)@CBT）进行了表面修饰。通过XRD、FT-IR、SEM和EDX等详细的结构、光谱和形态分析，阐明了相变、结晶度和配体结合情况。功能化纳米颗粒对细菌合成透明质酸（HA）的影响表明，硫脲修饰的核壳复合材料显著提高了HA产量，优于单一金属氧化物和未修饰的对照组。这项工作展示了一种新的方法，利用配体修饰的核壳金属氧化物来刺激微生物代谢产物的产生，为推进生物技术和制药应用提供了多功能平台。

材料

三氯化铁六水合物（FeCl₃·6H₂O）、三氯化铁四水合物（FeCl₃·4H₂O）、氢氧化铵（NH₄OH）、高锰酸钾（KMnO?）、硫酸锰（MnSO?·H?O）、乙二胺（C₂H₈N₂）、4-氯苯甲酰氯（C₇H₄Cl₂O）、硫氰酸钾（KSCN）和二甲基甲酰胺（C?H?NO）、SDS溶液、乙醇（C?H?OH）以及氯化钠（NaCl）均从Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）购买，无需进一步纯化即可使用。

α-Fe₂O₃纳米颗粒及其功能化形式的结构分析

通过粉末X射线衍射（XRD）分析了合成样品的晶体结构，包括原始的α-Fe₂O₃、乙二胺修饰的α-Fe₂O₃（α-Fe₂O₃@en）和4-氯苯甲酰硫脲修饰的Fe₃O₄（Fe₃O₄@CBT）。相应的XRD图谱见图1。

黑色图谱对应于纯α-Fe₂O₃，显示出清晰且定义明确的峰，与标准JCPDS卡片编号86-0550完全一致，表明其结晶度良好。

结论

本研究成功合成了α-Fe₂O₃、MnO₂及其α-Fe₂O₃/MnO₂核壳纳米颗粒，并分别用乙二胺（en）和4-氯苯甲酰硫脲（CBT）进行了表面修饰。研究清楚地表明，Fe₃O₄和Mn₃O₄并非作为独立相直接合成，而是在表面修饰过程中通过CBT诱导的部分还原反应形成的。重要的是，硫脲修饰起到了双重作用...

致谢

本工作得到了土耳其中小企业发展组织（KOSGEB）在[7DS8P]项目下的支持。

未引用参考文献

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CRediT作者贡献声明

Asl?han Cesur Turgut：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、方法学设计、实验设计、数据分析、概念构思。 Fatih Mehmet Emen：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、方法学设计、实验设计、资金获取、数据分析、概念构思。 Merve Kaya：撰写 – 原稿撰写、数据验证、方法学设计、实验设计。 Muhammad Asim Ali：撰写 – 原稿撰写、数据验证、方法学设计、实验设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。