利用菜豆（Phaseolus vulgaris）制备的植物源氧化锌纳米颗粒：特性分析及体外生物活性评估

《Inorganic Chemistry Communications》：Plant-derived zinc oxide nanoparticles using Phaseolus vulgaris: Characterization and in vitro bioactivity evaluation

绿色合成豌豆植株（Phaseolus vulgaris）醇提物还原的ZnO纳米颗粒，证实其六方纤锌矿结构（平均晶粒尺寸11.42 nm），具有显著抗菌（抑菌圈达19 mm）、抗氧化（IC50 191.78 μg/mL）和抗炎活性（抑制率64.5%），同时低细胞毒性（A549 IC50 31.60 μg/mL），适用于生物医学应用。

　　这项研究介绍了一种使用P. vulgaris水醇提取物进行绿色合成的氧化锌纳米颗粒（Pv-ZnO NPs）。首次采用这种方法，使P. vulgaris成为一种有效的还原和稳定剂。通过多种分析手段验证了Pv-ZnO NPs的形成，包括紫外-可见光谱（UV–Vis）显示在360 nm处的吸收峰，表明纳米颗粒的生成。X射线衍射（XRD）分析表明，纳米颗粒具有六方的Wurtzite结构，平均晶粒尺寸为11.42 nm。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析进一步揭示了纳米颗粒表面的官能团及其氧化状态。热重分析（TGA）和差热分析（DTA）评估了Pv-ZnO NPs的热稳定性。扫描电子显微镜（FE-SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像表明，Pv-ZnO纳米颗粒主要呈球形，平均直径为125 nm。原子力显微镜（AFM）分析支持了这些发现，显示纳米颗粒尺寸约为122 nm。动态光散射（DLS）分析显示其Zeta电位为-23.1 mV。在抗菌活性方面，Pv-ZnO NPs对B. subtilis的抑制效果显著，达到了19 mm，而P. vulgaris水醇提取物则为16 mm。在抗氧化活性方面，Pv-ZnO NPs表现出更高的活性，其IC??值为191.78 μg/mL，低于P. vulgaris水醇提取物的207.18 μg/mL。此外，Pv-ZnO NPs和P. vulgaris水醇提取物均显示出62.2%和64.5%的抗炎活性。在细胞毒性方面，Pv-ZnO NPs对A549细胞显示出较低的IC??值（31.60 μg/mL），而P. vulgaris水醇提取物的IC??值为72.24 μg/mL。在Vero细胞中，两者均表现出较高的细胞存活率，分别为90.45%和92.93%。这些结果表明，Pv-ZnO NPs在生物医学应用中具有巨大的潜力，其优越的生物活性和较低的毒性使其成为一种有前途的材料。

纳米颗粒的合成方法多种多样，包括化学、物理和绿色合成。然而，传统的化学和物理方法往往需要极端的条件以及有害的化学品，这不仅增加了实验成本，还可能对环境造成污染。因此，绿色合成方法因其安全性、经济性和可持续性而受到越来越多的关注。绿色合成利用天然的植物资源，如根、茎、种子、花和叶，来实现金属和金属氧化物纳米颗粒的生物合成。植物中的某些成分能够通过氧化还原反应自然地还原金属离子，从而形成纳米颗粒，并同时实现对重金属的解毒作用。随着新型病原体的不断出现以及有害细菌中抗生素耐药性的增强，寻找有效的替代疗法变得尤为重要。而植物纳米颗粒因其环保性和成本效益，正成为一种新的选择。植物化学物质能够有效减少实验过程中的损失，为纳米材料的合成提供支持。

在生物医学领域，纳米颗粒的应用范围广泛，包括生物材料、电子器件、农业、化妆品和药物。植物来源的纳米颗粒不仅有助于治疗炎症性疾病，还为疾病的早期检测提供了新的可能性。此外，植物化学物质如黄酮类和多酚类化合物，以及基于植物纳米颗粒的抗氧化剂，已被证明在预防多种疾病方面具有显著效果。植物纳米颗粒还被视为一种潜在的癌症药物替代品，能够作为靶向且安全的药物输送系统，提高药物的疗效并减少副作用。

氧化锌纳米颗粒因其独特的化学、物理和生物特性，在药物输送、生物医学和化妆品领域具有重要应用。这些纳米颗粒不仅具有良好的生物相容性，而且能够有效阻挡紫外线，使其适用于人类健康相关的产品。美国食品药品监督管理局（FDA）已认可氧化锌的安全性，使其在多个领域得到广泛应用。由于氧化锌纳米颗粒的高比表面积，它们能够与微生物细胞膜发生密切接触，从而发挥抗菌作用。这种接触可能会干扰细菌细胞内的关键生物过程，如蛋白质合成、DNA复制和细胞分裂，从而抑制其生长并导致细胞死亡。此外，氧化锌纳米颗粒能够清除多种活性氧物种（ROS），包括单线态氧、羟基自由基和超氧自由基。这种抗氧化活性有助于防止组织和细胞受到氧化损伤。在炎症反应过程中，氧化锌纳米颗粒还能够清除由炎症产生的ROS，从而减少炎症对机体的损害。

尽管化学合成方法在纳米颗粒制备方面取得了显著进展，但仅有限的研究探索了使用Phaseolus vulgaris（常见豆）提取物进行ZnO纳米颗粒的合成。Phaseolus vulgaris L.，即法国豆或常见豆，是一种广泛种植的年生植物，富含碳水化合物和蛋白质，同时具有一定的药用价值。作为豆科植物的一员，它含有丰富的植物化学物质，包括蛋白质、碳水化合物、黄酮类、皂苷、单宁和酚酸。这些植物化学物质赋予Phaseolus vulgaris多种生物活性，如抗菌、抗氧化、抗肿瘤、抗粘附和抗糖尿病作用。此前的研究已表明，利用Phaseolus vulgaris的水提取物可以绿色合成氧化铜和氧化锌纳米颗粒，并显示出对Aedes aegypti和Anopheles stephensi蚊虫的杀灭效果。然而，目前尚未有研究利用Phaseolus vulgaris的水醇提取物进行纳米颗粒合成，也没有对其生物活性与ZnO纳米颗粒进行比较。因此，本研究的目的是通过绿色方法，利用Phaseolus vulgaris的水醇提取物和硝酸锌作为前驱体，合成Pv-ZnO纳米颗粒，并首次报告其生物活性。

为了全面评估Pv-ZnO纳米颗粒的特性，采用了多种分析手段。包括紫外-可见光谱（UV–Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（FE-SEM）与能谱分析（EDX）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、热重分析（TGA）、X射线光电子能谱（XPS）以及动态光散射（DLS）。这些技术的应用不仅有助于确认纳米颗粒的形成和结构，还能够评估其表面化学性质、粒径分布和热稳定性。通过这些分析，研究人员能够获得关于纳米颗粒形态、尺寸、组成和表面功能的详细信息，为后续的生物活性评估提供基础。

在抗菌活性方面，采用了琼脂扩散法对革兰氏阳性菌（S. aureus和B. subtilis）和革兰氏阴性菌（E. coli和P. aeruginosa）进行测试。实验结果表明，Pv-ZnO纳米颗粒对B. subtilis的抑制效果最为显著，其抑菌圈直径达到19 mm，而P. vulgaris水醇提取物的抑菌圈直径为16 mm。这表明，通过植物提取物合成的纳米颗粒在抗菌性能上优于其原始提取物。在抗氧化活性方面，采用DPPH自由基清除法进行测试，结果表明Pv-ZnO纳米颗粒表现出更强的抗氧化能力，其IC??值为191.78 μg/mL，低于P. vulgaris水醇提取物的207.18 μg/mL。这表明，纳米颗粒在清除自由基方面具有更高的效率，有助于减少氧化应激对细胞的损害。

在抗炎活性方面，采用白蛋白变性法进行评估，结果表明P. vulgaris水醇提取物和Pv-ZnO纳米颗粒均表现出一定的抗炎效果，分别为62.2%和64.5%。这表明，纳米颗粒在抑制炎症反应方面具有一定的潜力。此外，在细胞毒性方面，采用MTT法对A549（肺癌）和Vero（正常）细胞系进行评估。实验结果显示，Pv-ZnO纳米颗粒对A549细胞的毒性较低，其IC??值为31.60 μg/mL，而P. vulgaris水醇提取物的IC??值为72.24 μg/mL。这表明，纳米颗粒在保持生物活性的同时，对正常细胞的毒性较低，显示出良好的生物相容性。在Vero细胞中，P. vulgaris水醇提取物和Pv-ZnO纳米颗粒均表现出较高的细胞存活率，分别为90.45%和92.93%。这表明，纳米颗粒在维持细胞健康方面具有优势。

本研究的结果表明，通过Phaseolus vulgaris水醇提取物合成的Pv-ZnO纳米颗粒在生物医学应用中具有广阔的前景。它们不仅表现出优异的抗菌、抗氧化和抗炎活性，还显示出较低的细胞毒性，这使其成为一种有潜力的生物材料。此外，纳米颗粒的绿色合成方法不仅减少了对环境的影响，还降低了生产成本，使其更加符合可持续发展的要求。因此，Pv-ZnO纳米颗粒可以作为一种有效的替代材料，用于抗菌药物、抗氧化剂和抗炎治疗。这些纳米颗粒的特性使其在医疗领域具有重要的应用价值，特别是在治疗感染性疾病、氧化应激相关疾病和炎症性疾病方面。

在材料选择方面，本研究使用了多种试剂和化学物质，包括硝酸锌六水合物（Zn(NO₃)₂.6H₂O）、柠檬酸、二甲基亚砜（DMSO）、盐酸（HCl）和碳酸钠，这些试剂均从印度的Avra化学公司购买。在抗菌分析中，使用了革兰氏阳性菌（S. aureus和B. subtilis）和革兰氏阴性菌（E. coli和P. aeruginosa），这些菌株均来自美国类型培养收集（ATCC）的印度分部。此外，还使用了氯霉素和丁基羟基甲苯（BHT）等化学物质进行实验对照和测试。

在P. vulgaris水醇提取物的定性分析中，采用标准方法进行了初步的植物化学成分检测。结果显示，该提取物中含有丰富的酚类、碳水化合物、黄酮类、单宁和皂苷，同时含有一定量的蛋白质和氨基酸。此外，还含有中等量的生物碱和糖苷，而甾体、脂肪和油类则未检测到。这些结果表明，P. vulgaris水醇提取物富含多种活性成分，为纳米颗粒的合成提供了丰富的还原和稳定剂。

在P. vulgaris水醇提取物的定量分析中，对主要的植物化学成分进行了测定，包括酚类、黄酮类和碳水化合物。这些成分的含量不仅影响纳米颗粒的合成效率，还可能影响其生物活性。因此，定量分析为理解植物提取物的组成及其在纳米颗粒合成中的作用提供了重要的数据支持。

本研究的结论表明，通过Phaseolus vulgaris水醇提取物合成的Pv-ZnO纳米颗粒在生物医学领域具有显著的应用潜力。这些纳米颗粒不仅表现出优异的抗菌、抗氧化和抗炎活性，还显示出较低的细胞毒性，使其成为一种安全且有效的生物材料。此外，纳米颗粒的绿色合成方法不仅减少了对环境的影响，还降低了生产成本，使其更加符合可持续发展的要求。因此，Pv-ZnO纳米颗粒可以作为一种有效的替代材料，用于抗菌药物、抗氧化剂和抗炎治疗。这些纳米颗粒的特性使其在医疗领域具有重要的应用价值，特别是在治疗感染性疾病、氧化应激相关疾病和炎症性疾病方面。

在作者贡献方面，Divya Bharathi Jothinathan主要负责撰写原始稿件、验证实验数据、进行实验研究、数据整理和概念设计。S.R. Suseem则负责对稿件进行审阅和编辑，并负责研究资金的获取。这种分工确保了研究的顺利进行，并提高了论文的质量。

本研究未引用的部分包括文献[36]，这可能与研究的某些方面有关，但并未在本文中详细讨论。因此，作者未提及该文献的具体内容。在利益冲突声明中，作者表示他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的成果。这表明，研究结果的客观性和科学性得到了保障。

在致谢部分，作者感谢Vellore Institute of Technology（VIT）为本研究提供了研究资助和实验基础设施。这表明，研究的顺利进行离不开机构的支持和资源的提供。此外，Divya Bharathi Jothinathan目前正在Vellore Institute of Technology的化学系攻读博士学位，并拥有Vellore Institute of Technology的药学化学硕士学位。她的研究兴趣包括利用绿色方法合成金属氧化物纳米颗粒和基于天然聚合物的纳米复合材料，用于生物医学应用。这表明，她的研究方向与本研究的目标一致，并且具备相关领域的专业知识和研究经验。

综上所述，本研究通过绿色方法合成的Pv-ZnO纳米颗粒在抗菌、抗氧化和抗炎活性方面表现出优异的性能，同时对正常细胞的毒性较低，显示出良好的生物相容性。这些结果不仅为纳米材料的绿色合成提供了新的思路，还为生物医学应用中的新型药物和治疗手段提供了可能。因此，Pv-ZnO纳米颗粒有望成为一种具有广泛应用前景的生物材料，为未来的医学研究和应用带来新的突破。