来自柠檬皮的环保型Cu–TiO2纳米颗粒：综合生物学与计算评估

《AMB Express》：Eco-friendly Cu–TiO2 nanoparticles from Citrus limon peel: integrated biological and computational evaluation

　　

摘要

利用农业废弃物绿色合成多功能纳米材料是可持续生物医学领域的重要目标。本研究报道了一种采用柠檬（Citrus limon (Linn.) Burm. f.）的水提取物，通过环保的一步法工艺制备了掺铜二氧化钛纳米颗粒（Cu–TiO₂NPs）。通过紫外-可见光谱观察到这些纳米颗粒的形成，其吸收边缘位于400纳米以下，并在可见光范围（400–650纳米）内呈现红移现象。X射线衍射（XRD）证实了这些纳米颗粒为锐钛矿和金红石的混合晶体相，平均晶粒尺寸为45.6纳米；扫描电子显微镜（SEM）显示这些纳米颗粒呈不规则聚集形态，平均直径为48±0.46纳米。场发射扫描电子显微镜（FESEM）进一步观察到这些纳米颗粒高度聚集，其初级尺寸范围为49±0.07纳米；X射线光电子能谱（XPS）则确认了钛（Ti）、氧（O）和铜（Cu）的氧化状态，证明了掺杂的成功。能量色散X射线（EDX）分析进一步证实铜均匀地嵌入了二氧化钛（TiO₂）晶格中。体外实验表明，这些纳米颗粒对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus (ATCC 9144)、表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis (ATCC 12228）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa (ATCC 10145）具有剂量依赖性的抗菌作用，最小抑菌浓度（MIC）范围为15至20微克/毫升。其中，Cu–TiO₂NPs在30微克/毫升浓度下对表皮葡萄球菌的抑菌效果最强，与头孢曲松（30微克/毫升）的效果相当。这些纳米颗粒具有较高的抗氧化能力，其铁还原抗氧化潜力为67.5个抗坏血酸当量（AAE）微克/毫升，并且在500微克/毫升浓度下对2,2-二苯基-1-吡啶肼（DPPH）的清除率达到了54%。通过3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物（3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide）测定法检测了细胞毒性，结果显示这些纳米颗粒对人类肝细胞癌细胞（HepG2）具有剂量依赖性的毒性作用，24小时后的半数抑制浓度（IC₅₀）为150微克/毫升。利用密度泛函理论（DFT）研究了L-抗坏血酸-Cu–TiO₂NPs复合物的稳定性，分子对接分析揭示了其与目标细菌之间的强相互作用。本研究独特地整合了废弃物的可持续利用、全面的体外生物评估以及计算机验证方法，为柠檬皮衍生的Cu–TiO₂NPs在生物医学应用中的潜力提供了科学依据。

利用农业废弃物绿色合成多功能纳米材料是可持续生物医学领域的重要目标。本研究报道了一种采用柠檬（Citrus limon (Linn.) Burm. f.）的水提取物，通过环保的一步法工艺制备了掺铜二氧化钛纳米颗粒（Cu–TiO₂NPs）。通过紫外-可见光谱观察到这些纳米颗粒的形成，其吸收边缘位于400纳米以下，并在可见光范围（400–650纳米）内呈现红移现象。X射线衍射（XRD）证实了这些纳米颗粒为锐钛矿和金红石的混合晶体相，平均晶粒尺寸为45.6纳米；扫描电子显微镜（SEM）显示这些纳米颗粒呈不规则聚集形态，平均直径为48±0.46纳米；场发射扫描电子显微镜（FESEM）进一步观察到这些纳米颗粒高度聚集，其初级尺寸范围为49±0.07纳米；X射线光电子能谱（XPS）确认了钛（Ti）、氧（O）和铜（Cu）的氧化状态，证明了掺杂的成功。能量色散X射线（EDX）分析进一步证实铜均匀地嵌入了二氧化钛（TiO₂）晶格中。体外实验表明，这些纳米颗粒对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus (ATCC 9144）、表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis (ATCC 12228）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa (ATCC 10145）具有剂量依赖性的抗菌作用，最小抑菌浓度（MIC）范围为15至20微克/毫升。其中，Cu–TiO₂NPs在30微克/毫升浓度下对表皮葡萄球菌的抑菌效果最强，与头孢曲松（30微克/毫升）的效果相当。这些纳米颗粒具有较高的抗氧化能力，其铁还原抗氧化潜力为67.5个抗坏血酸当量（AAE）微克/毫升，并且在500微克/毫升浓度下对2,2-二苯基-1-吡啶肼（DPPH）的清除率达到了54%。通过3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物（3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide）测定法检测了细胞毒性，结果显示这些纳米颗粒对人类肝细胞癌细胞（HepG2）具有剂量依赖性的毒性作用，24小时后的半数抑制浓度（IC₅₀）为150微克/毫升。利用密度泛函理论（DFT）研究了L-抗坏血酸-Cu–TiO₂NPs复合物的稳定性，分子对接分析揭示了其与目标细菌之间的强相互作用。本研究独特地整合了废弃物的可持续利用、全面的体外生物评估以及计算机验证方法，为柠檬皮衍生的Cu–TiO₂NPs在生物医学应用中的潜力提供了科学依据。