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Biosynthesis of Tin oxide Nanoparticles using Sargassum wightii and their Biological Applications

本研究展示了利用大浒藻（*Sargassum wightii*）提取物绿色合成结晶态球形 SnO₂ 纳米颗粒的过程，该纳米颗粒对特定病原体和细胞系表现出显著的抗菌、杀幼虫及抗癌活性。

原作者： U Punitha, A. Mary Saral

发布于 2026-10-07

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原作者： U Punitha, A. Mary Saral

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ⚕️ 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。阅读完整免责声明

自然界长期以来为人类提供了治愈与保护的工具箱，这些强大的解决方案往往隐藏在那些遍布海岸的植物和藻类之中。在现代材料科学领域，研究人员正越来越多地远离严苛的化学工厂，转而寻找更清洁、更简单的方法来制造医疗和技术所需的微型工具。该领域专注于纳米颗粒，这种颗粒极其微小，一千个这样的颗粒也无法填满一根人类发丝的宽度。由于其微小的尺寸，这些颗粒的表现与其组成的体材料截然不同，通常能获得对抗细菌、靶向癌细胞或清理污染物的独特能力。其中一种材料是氧化锡，这是一种以稳定性和导电性著称的物质，科学家们目前正尝试以一种对环境安全的方式来生产它。研究人员没有使用有毒溶剂或高能耗工艺，而是提出了一个简单的问题：能否利用一种常见的海藻来自然地构建这些颗粒？

这项由印度维洛尔理工学院（Vellore Institute of Technology）科学家进行的课题研究，旨在通过使用分布在喀拉拉邦海岸的褐藻——褐藻属的一种植物（Sargassum wightii）来回答这个问题。研究人员首先采集海藻，将其清洗干净，并在阴凉处晾干。随后，他们将干燥后的植物研磨成细粉，并将其与水和酒精混合，制成富含蛋白质、糖类和植物色素等天然化合物的液体提取物。接着，将这种提取物与含有锡的金属盐溶液混合。在短短几小时内，在海藻天然成分的驱动下，发生了一种化学反应。混合物发生了颜色变化，从棕黄色变为淡黄色，这在视觉上表明锡离子正在转化为固体纳米颗粒。团队对生成的粉末进行了过滤和加热处理以确保其纯度，最终得到了一种细小的棕色氧化锡纳米颗粒粉尘。

为了了解他们所创造出的产物，科学家们利用强大的显微镜和光传感器对颗粒进行了检测。他们发现这些纳米颗粒呈球形，且体积极小，平均尺寸仅为3.3纳米。为了直观理解，如果单个纳米颗粒是一个弹珠那么大，那么一根人类发丝的宽度将相当于一个足球场。分析证实，海藻提取物不仅完成了颗粒的构建，还起到了保护涂层的作用，防止它们聚集在一起。这种由海藻自身化学性质形成的天然封端层，正是让这些颗粒保持稳定且有效的关键。

检验这种绿色方法真实效能的关键，在于观察这些微小颗粒究竟能发挥什么作用。研究人员将纳米颗粒应用于各种有害微生物。在针对引起肺炎及其他感染的细菌进行测试时，纳米颗粒表现出了强大的抑制生长能力。在一种标准测试中，将少量材料置于细菌培养皿中，颗粒在其周围形成了一个没有任何细菌能够生存的透明区域。针对一种特定的细菌——肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae），这个透明区域的直径达到了20毫米。他们还测试了颗粒对真菌（包括一种常见的霉菌——烟曲霉 Aspergillus fumigatus）的效果，结果显示其创造了一个24毫米的防护区。结果表明，这些纳米颗粒可以破坏这些微生物的外壁，导致其泄漏并死亡，从而为对抗那些对传统药物产生耐药性的感染提供了一种潜在的新途径。

除了对抗感染，该研究还探讨了这些颗粒是否能助力抗癌斗争。研究人员在实验室培养皿中，将氧化锡纳米颗粒暴露于肝癌细胞（已知为HepG2）中。他们观察到，随着颗粒浓度的增加，活体癌细胞的数量随之减少。在每毫升100微克的特定剂量下，纳米颗粒能高效抑制这些癌细胞的生长，计算出的数值显示，当浓度约为每毫升40微克时，一半的细胞会被杀死。颗粒似乎能与细胞内的DNA发生相互作用，从而可能干扰其增殖能力。这表明，由海藻制成的氧化锡纳米颗粒可以作为靶向癌细胞的工具，尽管仍需进一步研究以准确了解它们在体内的运作机制。

最后测试的应用场景是针对蚊子幼虫，即传播登革热和疟疾等疾病的蚊子幼年阶段。研究人员将纳米颗粒放入含有两种危险物种——埃及伊蚊（Aedes aegypti）和冈比亚按蚊（Anopheles stephensi）幼虫的水中。在48小时内，他们观察了幼虫的存活情况。结果令人震惊。在每毫ل升100微克的浓度下，纳米颗粒在两天内杀死了96.33%的按蚊幼虫和98.33%的埃及伊蚊幼虫。这表明，这些由海藻制成的颗粒对这些害虫具有高度毒性，为控制蚊类种群提供了一种极具前景且环保的化学农药替代方案。

这项工作证明，利用海藻进行简单的天然过程可以生产出具有强大生物效应的复杂材料。研究人员成功制造出了不仅尺寸和形状均匀，而且对细菌、真菌、癌细胞及蚊类幼虫均有效的氧化锡纳米颗粒。虽然这项研究证实了这些颗粒在实验室环境下的潜力，但也强调了需要进一步调查，以充分了解其作用机制及广泛使用的安全性。通过将一种常见的海岸植物转化为先进纳米技术的来源，这项研究为开发既有效又对环境友好的治疗手段和工具开辟了一条新路径。

技术摘要：利用 Sargassum wightii 生物合成氧化锡纳米颗粒及其生物学应用

问题陈述
通过化学和物理方法生产金属氧化物纳米颗粒通常涉及有毒试剂、高能耗以及环境有害副产物。虽然生物（绿色）合成提供了一种更安全、更具成本效益且环保的替代方案，但关于专门使用海洋藻类进行氧化锡 (SnO₂) 纳米颗粒绿色合成的文献仍然匮乏。此外，利用具有记载的抗氧化和抗菌特性的褐藻 Sargassum wightii 作为 SnO₂ 纳米颗粒合成的还原剂和封端剂的研究仍处于空白。本研究旨在解决可持续纳米材料制造的需求，并评估其在抗菌、抗癌和杀幼虫活动等方面的多功能生物学应用。

实验方法
研究人员采用了利用 Sargassum wightii 氢醇提取物的绿色合成法。

提取： 将采集自喀拉拉邦维兹因詹姆 (Vizhinjam, Kerala) 的 S. wightii 进行干燥、粉碎，并使用 70% 乙醇在 45°C 下进行提取。植物化学筛选证实了氢醇提取物中存在生物碱、酚类、黄酮类、单宁、皂苷和蛋白质，从而确定其为最佳还原剂。
合成： 通过将 60 mL 1 mM 氯化锡 (SnCl₂) 溶液与 30 mL S. wightii 提取物在 60°C 下混合 12 小时来启动反应。溶液颜色从棕黄色变为淡黄色，表明纳米颗粒的形成。所得胶体溶液经离心、洗涤、在 100°C 下干燥并在 300°C 下煅烧，以获得纯 SnO₂ 纳米颗粒。
表征： 使用 UV-Vis 光谱、FT-IR、X 射线衍射 (XRD)、扫描电子显微镜 (SEM)、能量色散 X 射线 (EDX) 和透射电子显微镜 (TEM) 对合成的纳米颗粒进行分析。
生物测定： 研究评估了以下各项：
- 抗菌活性： 针对革兰氏阳性菌（S. aureus、B. subtilis）、革兰氏阴性菌（E. coli、K. pneumoniae）以及真菌菌株（C. albicans、A. fumigatus），采用孔扩散法进行测试。
- DNA 结合： 通过 UV-vis 滴定研究与牛胸 DNA (CT-DNA) 的相互作用，以确定结合常数。
- 抗癌活性： 通过 MTT 法评估对 HepG2 肝癌细胞系的细胞毒性。
- 杀幼虫活性： 评估对埃及伊蚊 (Aedes aegypti) 和步步青蚊 (Anopheles stephensi) 四龄幼虫在 12、24 和 48 小时间隔内的死亡率。

关键结果

理化性质：
- UV-Vis： 在 270 nm 处观察到明显的吸收峰，证实了 SnO₂ 纳米颗粒的形成。
- FT-IR： 3363 cm⁻¹（O–H 伸缩振动）、1622 cm⁻¹（C=O 伸缩振动）和 528 cm⁻¹（Sn–O 伸缩振动）处的峰证实了植物化学成分在还原和封端中的作用，以及金属-氧键的成功形成。
- XRD： 分析显示出单斜相结构，其峰对应于 (110)、(101)、(111)、(211)、(002)、(112)、(301) 和 (321) 面。计算得出的平均晶粒尺寸约为 3.348 nm。
- 形貌： SEM 和 TEM 成像证实了纳米颗粒呈球形、无团聚状态，平均粒径为 3.65 nm。
- 元素组成： EDX 能谱证实了锡 (Sn) 和氧 (O) 的存在，验证了 SnO₂ 纳米颗粒的纯度。
生物性能：
- 抗菌： 纳米颗粒表现出剂量依赖性的活性。在 30 µg 时，对 K. pneumoniae 的最大抑菌圈 (ZOI) 为 20 mm，对 A. fumigatus 为 18 mm。
- DNA 结合： 纳米颗粒表现出对 DNA 的显著亲和力，计算出的固有结合常数 ( $K_b$ ) 分别为 $1.3043 \times 10^{-9}$ M⁻¹ 和 $2.2448 \times 10^{-9}$ M⁻¹，表明存在沟槽结合相互作用。
- 抗癌： SnO₂ NPs 对 HepG2 细胞表现出浓度依赖性的细胞毒性，IC₅₀ 值为 40.70 µg/ml。
- 杀幼虫： 纳米颗粒对蚊类幼虫具有高效能。在 100 µg/ml 时，48 小时后 Aedes aegypti 的死亡率达到 98.33%，Anopheles stephensi 达到 96.33%。LC₅₀ 值随时间减少，表明效力随暴露时间延长而增加（例如，48 小时后 An. stephensi 的 LC₅₀ 为 22.769 ppm）。

意义与主张
本文声称，利用 Sargassum wightii 提取物进行 SnO₂ 纳米颗粒的绿色合成是一种可行、环保且高效的生产具有窄尺寸分布（3–4 nm）纳米材料的方法。研究认为，藻类提取物中的植物化学成分既作为还原剂又作为稳定剂，能够防止团聚。

作者断言，合成的 SnO₂ 纳米颗粒具有强大的多功能生物潜力。具体而言，它们为以下领域提供了极具前景的传统合成药物替代方案：

抗菌和抗真菌疗法： 由于其能够破坏病原体的细胞膜并诱导氧化应激。
肝癌治疗： 由其对 HepG2 细胞观察到的细胞毒性所支持。
媒介控制： 在对携带疾病的蚊类幼虫表现出强效杀幼作用方面得到了证实。

论文得出结论，这些发现为 S. wightii 介导的 SnO₂ 纳米颗粒的生物学应用提供了强有力的概念验证，尽管文中也指出，仍需对驱动这些活动的特定植物化学成分及详细的作用机制进行进一步研究。

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