3-氨基丙基三甲氧基硅烷、硫化钠和乙二醇在调控银纳米粒子形貌与尺寸方面的协同作用：抗氧化/抗菌性能以及其在脂质体-脂质体体系中的包裹能力

《Surfaces and Interfaces》：Synergistic Influence of 3-Aminopropyltrimethoxysilane, Sodium Sulfide, and Ethylene Glycol in Controlling the Shape and Size of Silver Nanoparticles: Antioxidant/Antibacterial Response and Encapsulation in Liposome-in-Liposome

　　Yogita Rani | Urvashi Kesarwani | Ujjwal | Ashutosh Kumar Dubey | Prabhat Tripathi
印度北方邦瓦拉纳西IIT BHU化学系

**摘要**
本研究展示了在乙二醇溶剂中控制合成银纳米颗粒（AgNPs）的过程，其中乙二醇作为还原剂，μM-fM级的硫化钠（Na?S）作为成核催化剂，并用3-氨基丙基三甲氧基硅烷（3-APTMS）进行功能化处理以提高稳定性。研究重点关注了Na?S浓度和反应时间对纳米颗粒尺寸和形状的影响。通过UV-Vis光谱、TEM、FTIR、XRD和XPS对AgNPs进行了表征，证实了其尺寸可调性（10–50 nm）、形状多样性（五重孪晶纳米棒、十二面体、单重孪晶正双锥体、伪球形等）以及结晶性。通过DPPH测定评估了其抗氧化活性，显示出显著的自由基清除效率（高达77.7%），C??值为54.63 μg/mL。通过琼脂扩散和MTT实验评估了其对抗大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌效果，发现不同形状的纳米颗粒（具有多种形态）表现出不同的抑制效果，其中伪球形纳米颗粒的抗菌活性最高（约91%细菌存活率降低）。此外，还表明AgNPs可以通过DOPC基纳米脂质体双层结构成功封装，这可能增强其亲水性和生物相容性。研究发现，10 nm伪球形AgNPs在黑暗条件下的苯胺蓝降解/脱色效率为95%，而在光照条件下为98%。进一步研究了温度、pH值和时间对AgNPs脱色效率的影响。本研究强调了还原剂、稳定剂和成核催化剂在调节AgNPs性能方面的协同作用，特别是在抗氧化和抗菌治疗以及脂质体制剂中的应用。

**引言**
金属纳米颗粒，尤其是银纳米颗粒（AgNPs）独特的物理化学性质使它们区别于传统材料，因此受到了广泛关注[1,2]。AgNPs因其独特的物理化学性质而在许多领域得到应用，包括抗菌、催化、传感和电子领域[3],[4],[5],[6],[7]。银具有良好的化学和物理性能，价格相对较低，且摩尔 extinction 系数（比金高100倍），使其成为制造纳米传感器（用于检测生物目标并结合动力学）的理想金属[7],[8],[9]。此外，与金相比，AgNPs的拉曼散射更强[10,11]。由于其表面化学反应性的可适应性，AgNPs还可以与肽、抗体、抗原和寡核苷酸等特定生物分子结合，从而赋予其生物特异性和相容性，提高药物释放的调控能力和与细胞受体配体的结合能力，实现精确定位。AgNPs胶体必须具备适当的物理和化学特性，如均匀的形状、小而窄的粒径以及长期稳定性，以满足各种应用需求[12]。通常需要直径在10–50 nm之间的均匀球形AgNPs，并且在应用过程中保持数月稳定而不发生聚集[12]。为了获得所需的物理和化学性质，人们对其生产方法进行了广泛研究。使用如间苯二酚[13]、壳聚糖[14]和葡萄糖[15]等还原剂进行化学还原是常见的制备AgNPs的方法。最近也有使用洋葱提取物[16]和声化学方法在石墨烯框架中制备AgNPs的报道[17]。还原剂和稳定剂均可用于改变AgNPs的尺寸、形状和稳定性[12]。晶体的形成由封盖剂和还原剂共同控制[18]。研究了抗坏血酸、葡萄糖、硼氢化钠、柠檬酸钠和肼等其他还原剂对AgNPs的ζ电位、稳定性、晶体结构和粒径的影响[12]。

自1928年青霉素发现以来，抗生素彻底改变了医学，挽救了无数生命[19,20]。然而，抗生素的过度使用和滥用以及新抗生素研发的滞后导致了耐药细菌的激增[21,22]。因此，细菌感染仍然是一个严重的全球健康威胁，迫切需要新的抗菌策略[23,24]。许多疾病（如糖尿病、癌症和中风）是由氧化损伤引起的，而抗氧化剂可以减轻ROS造成的损害[25]。AgNPs是应对耐药性的有效选择，因为它们能产生活性氧（ROS），抑制细菌呼吸，杀死癌细胞，并具有强大的抗菌、抗氧化和抗癌作用[25],[26],[27],[28],[29]。其抗菌机制包括表面结合、离子释放和氧化应激生成，使得细菌难以产生抗性[30]。与天然化合物（如吩嗪-1-羧酰胺）的协同作用可进一步增强其抗菌效果[31,32]。AgNPs因其广谱抗菌活性而受到广泛研究，这种活性受其尺寸、形状和表面化学性质的影响[33]。

脂质体是一种知名的纳米级药物递送载体，具有低毒性、生物相容性和生物降解性。通过表面修饰，它们可以改善药物的稳定性、循环时间和靶向性，同时包裹亲水或疏水分子[34]。新一代脂质体能响应pH值、温度或酶等刺激，得益于纳米技术的进步，成为现代医学的理想载体[34],[35],[36]。工业废水中（尤其是制革厂和纺织制造行业）高浓度的有机染料对环境和生物有害[37]。由于合成染料成本低廉，且对微生物、光照、温度和洗涤剂具有很强的抵抗力，其在食品、制药、塑料和纺织等领域的广泛应用加剧了这一问题[37],[38],[39]。苯胺蓝（也称为苯二胺蓝、中国蓝或可溶性蓝）极易溶于水，在多个行业中广泛应用，但对人类健康和环境有害[40]。图SI:S8展示了苯胺蓝的分子结构。其稳定性使其在水中长期存在，可能导致胃肠道问题、膀胱癌、肝肾损伤和皮肤过敏。为确保环境安全，必须将其从水中去除。

在本研究中，我们使用Na?S（作为SH?离子）作为成核催化剂、乙二醇作为还原剂以及3-APTMS作为稳定配体，实现了AgNPs的尺寸和形状可控合成（见图1）。通过UV-Vis光谱、TEM、XRD、FTIR和XPS对其结构和表面性质进行了详细表征。通过DPPH测定评估了其抗氧化潜力，并通过定性和定量实验评估了其对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌效果。此外，我们还探讨了将AgNPs封装在DOPC基脂质体内的方法，以提升其分散性和未来在生物医学应用中的潜力。本工作旨在衔接纳米颗粒合成、功能性能及染料降解（苯胺蓝）之间的差距，为先进纳米治疗系统的开发做出贡献。

**使用反应（1）和（2）】，AgNO?在标准多元醇合成过程中被乙二醇（EG）还原生成银原子：
**HO? → H?C?CH??OH → 氧化产物 + 2e? + 2H? → 2Ag? → 2Ag?**
3-APTMS分子与银离子表面结合，同时乙二醇将Ag?还原为Ag?原子，Na?S促进银原子的成核和后续生长，配体和硅烷的功能化决定了晶面的选择性生长。结合实验结果可以解释银纳米颗粒的形成机制：当硝酸银和3-APTMS加入加热后的乙二醇溶液中时，均匀成核会产生孪晶和单晶银颗粒。由于表面能较低，最常见的形态是孪晶颗粒[41,42]。通过精细调节反应条件，减少了副反应的发生。为避免过量的硫化物生成和意外的Ag?S产生，使用了极低浓度的Na?S（μM - fM），并优化了反应温度。为防止硅氧烷缩合并保证表面覆盖的一致性，进一步优化了3-APTMS的浓度和湿度敏感度。这些措施共同营造了一个平衡的还原环境，促进了稳定且尺寸可控的AgNPs的产生。

**材料**
本研究中使用的(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷（3-APTMS）由Sigma-Aldrich公司提供。Na?S和AgNO?等化学试剂从SRL Pvt. Ltd.购买，无需额外纯化即可使用。乙二醇溶剂购自Fischer Scientific。实验中使用的是Merck Millipore的Milli-Q EQ7008超纯水，电阻率为18 MΩ·cm。

**结果与讨论**
合成AgNPs的示意图见图1A。使用不同最终浓度的Na?S（a）33 μM（AgNP-a）、（b）66 nM（AgNP-b）、（c）6 pM（AgNP-c）和（d）66 fM（AgNP-d），胶体AgNPs的UV-Vis光谱分别显示在图1B-C中（参见SI：表S1）。反应过程中的pH值为约10，在pH≈10时，[HS?]/[S2?]比值（由Henderson-Hasselbalch方程决定）为8000:1，即HS?占优势[43]。HS?离子是有效的还原剂。

**结论**
总结来说，我们展示了一种使用硫化钠（Na?S）作为成核催化剂和3-氨基丙基三甲氧基硅烷（3-APTMS）作为稳定配体的控制高效合成银纳米颗粒（AgNPs）的方法。通过精细调节Na?S浓度和反应时间，可以精确调控AgNPs的尺寸和形状，获得具有多样化形态的单分散颗粒。

**作者贡献声明**
Yogita Rani：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法学、数据整理、概念构建。
Urvashi Kesarwani：资源获取、方法学、实验研究、数据分析。
Ujjwal：数据分析。
Ashutosh Kumar Dubey：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法学、概念构建。
Prabhat Tripathi：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法学、实验研究、资金支持。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
作者感谢IIT（BHU）中央仪器设施中心的负责人提供TEM和XPS设备。同时感谢IIT（BHU）化学系主任提供DLS设备、FTIR、XRD和UV-Vis光谱设施，以及DST-INSPIRE奖学金提供的持续财政支持。DOPC样品由德国Lipoid GmbH公司提供。