Eco – Friendly Synthesis of Ag / Tio 2 Nanoparticles Using Beta Vulgaris Leaf Extract and Their Biomedical Applications

技术摘要：利用甜菜（Beta vulgaris）叶提取物绿色合成 Ag/TiO₂ 纳米颗粒及其生物医学应用

问题陈述
本研究旨在解决两个关键挑战：医药污染物（特别是双氯芬酸钠，DCF）的环境持久性问题，以及对合成先进纳米材料的需求转向可持续、无毒方法的问题。DCF 是一种广泛使用的非甾体抗炎药（NSAID），它在常规废水处理中具有抗性，导致其在水生生态系统中积累，并造成生态危害，包括引起水生生物的内分泌干扰和秃鹫种群数量下降。虽然像芬顿工艺（Fenton process）这样的高级氧化工艺（AOPs）提供了降解方案，但它们通常依赖于过氧化氢等不稳定试剂。同时，金属氧化物纳米复合材料的合成通常涉及有害化学品。本研究提出了一种“绿色”替代方案：使用甜菜（Beta vulgaris）叶提取物合成银掺杂二氧化钛（Ag/TiO₂）纳米颗粒，以创建一种用于药物降解的环保光催化剂和多功能生物医学试剂。

研究方法
研究人员采用了一种绿色合成方案，其中新鲜甜菜叶经过清洗、阴干、研磨成粉，并用作合成 Ag/TiO₂ 纳米颗粒的还原剂和封端剂。所得纳米杂化材料通过以下方式进行了全面表征：

• 形貌与结构分析： 使用扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散 X 射线光谱（EDS）及元素映射、透射电子显微镜（TEM）以及 X 射线衍射（XRD）。
• 物理与光谱表征： 使用动态光散射（DLS）进行粒径分布分析，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析官能团，以及紫外-可见光谱（UV-Vis）分析光学性质。
• 光催化降解： 在 UV-Vis 光照射下，评估了合成的 Ag/TiO₂ 纳米复合材料对双氯芬酸钠的降解情况。进行了动力学研究以确定反应速率，并评估了 pH 值（2.5 至 10.5）的影响。
• 生物医学测定：
  • 细胞毒性与抗癌活性： 通过对正常 Vero 细胞和人类乳腺癌（MCF-7）细胞系进行的 MTT 检测进行评估。
  • 抗氧化活性： 通过 DPPH 自由基清除实验进行测量。
  • 抗菌活性： 使用碟片扩散法测试了四种细菌菌株（金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌）和两种真菌菌株（念珠菌、木霉菌）。

主要结果

• 合成与表征： 绿色合成成功生产了 Ag/TiO₂ 纳米杂化材料。SEM 和 TEM 分析显示出由球形、棒状和菜花状结构组成的混合形貌，粒径范围为 8 至 60 nm（部分聚集体超过 100 nm）。XRD 证实了面心立方结构，平均晶粒尺寸约为 36 nm。元素映射证实了 Ag、Ti 和 O 的均匀分布，以及来自叶提取物的植物化学元素（K、Cl、S、P、Si）。
• 光催化降解： Ag/TiO₂ 纳米复合材料在降解双氯芬酸钠方面表现出高效率。在 UV-Vis 照射下，40 分钟内实现了约 90% 至 98% 的降解。该过程遵循伪一级动力学。在酸性条件下（pH 2.5）过程最为有效，此时带正电的催化剂表面与中性药物分子之间的静电吸引作用促进了吸附和自由基的产生。
• 生物医学应用：
  • 抗癌活性： 纳米颗粒表现出浓度依赖性的细胞毒性。针对 MCF-7 乳腺癌细胞，在 1000 µg/mL 时存活率降至 24.78%，IC₅₀ 值约为 31.2 µg/mL。正常 Vero 细胞显示出较高的存活率（1000 µg/mL 时为 54.06%），表明其对癌细胞具有选择性毒性。
  • 抗氧化活性： 纳米颗粒表现出显著的 DPPH 自由基清除活性，在 1000 µg/mL 时抑制率达到 82.91%。
  • 抗菌活性： 纳米复合材料表现出强烈的浓度依赖性抗菌活性，特别是对蜡样芽孢杆菌（1000 mg/mL 时抑菌圈为 18 mm）和假单胞菌属（15 mm）。然而，对念珠菌和木霉菌的抗真菌活性相对较弱，且随浓度变化变化不大。

意义与主张
本文声称，该研究成功展示了一种简单、低成本且环保的方法，利用植物提取物合成 Ag/TiO₂ 纳米颗粒，从而消除了对有害化学试剂的需求。合成的纳米材料被认为是具有前景的多功能试剂，在以下领域具有应用潜力：

1. 环境修复： 有效降解水环境中有持久性的医药污染物，如双氯芬酸钠。
2. 生物医学研究： 作为抗乳腺癌细胞、抗氧化剂和抗菌剂的潜在用途。

作者得出结论，尽管这些纳米颗粒显示出巨大潜力，但仍需要进一步的体内研究和机制研究，以在临床应用前确认其治疗功效和安全性。这项工作将绿色合成的 Ag/TiO₂ 定位为未来药物递送系统、药物制剂和环境处理技术的可行候选材料。