用于抗菌和抗癌活性的纯净和聚合物功能化的氧化铈纳米颗粒

《Materials Chemistry and Physics》：Pristine and polymer functionalized cerium oxide nanoparticles for antimicrobial and anticancer activities

　　聚合物包覆金属氧化物纳米粒子（MO-NPs）的生物相容性和毒性是研究热点。本研究采用共沉淀法合成普里斯坦和聚乙二醇（PEG）修饰的二氧化铈纳米粒子（Ce-NPs），通过XRD、SEM、FTIR和VSM分析表征其晶体结构、形貌及磁性能。PEG包覆Ce-NPs对大肠杆菌和腐霉菌的抑菌圈分别为10-12mm和10-12mm，且通过MTT检测显示对MCF-7乳腺癌细胞具有显著抗肿瘤活性（抑制率33.1±0.95%）。研究表明PEG修饰可有效提升Ce-NPs的生物相容性、稳定性和多功能性，为后续动物实验治疗感染性发热提供理论依据。

　　近年来，随着纳米材料在生物医学领域的广泛应用，金属氧化物纳米颗粒（MO-NPs）因其独特的物理化学性质和潜在的治疗效果而受到越来越多的关注。特别是在癌症治疗和抗菌应用方面，MO-NPs展现出显著的优势。然而，由于其在生物体系中的高反应性和可能的毒性问题，限制了其在实际医疗中的应用。因此，通过生物相容性聚合物对MO-NPs进行表面修饰，成为提升其安全性和功能性的关键策略。本研究重点探讨了使用壳聚糖（CS）和聚乙二醇（PEG）对氧化铈纳米颗粒（Ce-NPs）进行修饰后的性能变化，旨在为未来在生物医学领域的应用提供科学依据。

在当前的医学研究中，癌症和抗菌感染被认为是全球范围内最为严重的疾病之一。随着抗生素耐药性的增加，传统的治疗方法变得愈发困难，而癌症治疗中的放疗和化疗也伴随着显著的副作用。为了克服这些挑战，研究人员开始探索利用纳米材料作为替代治疗手段的可能性。其中，金属氧化物纳米颗粒因其优异的催化活性、抗氧化能力、可调尺寸、生物相容性、大比表面积和高化学稳定性，成为研究的热点。尤其是在生物医学领域，它们被广泛应用于抗氧化、抗炎、抗菌、抗癌药物、药物输送、生物成像和生物传感等多个方面。

然而，尽管氧化铈纳米颗粒具有诸多优点，但其在生物体系中的高反应性仍然是一个不容忽视的问题。这种反应性可能导致在生物体内失去催化活性，并形成蛋白质冠（protein corona），从而影响其在体内的行为和效果。为了减少这种负面影响，科学家们采用生物相容性聚合物对Ce-NPs进行表面修饰。其中，壳聚糖和聚乙二醇是两种常用的修饰材料。壳聚糖是一种天然的多糖，具有良好的生物相容性、生物降解性和低毒性，因此在生物医学、食品、化妆品和制药等领域具有广泛的应用前景。而聚乙二醇则是一种亲水性聚合物，能够提高药物在血液中的溶解性，从而增强其生物利用度。

在本研究中，首次对原始Ce-NPs、壳聚糖修饰Ce-NPs和聚乙二醇修饰Ce-NPs进行了比较，以评估它们在生物医学应用中的表现。研究结果表明，壳聚糖和聚乙二醇修饰的Ce-NPs在抗菌和抗癌活性方面表现出色。通过实验测试，发现PEG修饰的Ce-NPs对大肠杆菌（E. coli）和白色念珠菌（Fusarium b）具有良好的抗菌效果，其抑菌圈大小分别为10、11、12毫米。同时，在体外实验中，PEG修饰的Ce-NPs对MCF-7乳腺癌细胞显示出显著的抗癌活性，其细胞存活率分别为41.1±1.18%、36.2±1.04%和33.1±0.95%。这些结果表明，PEG修饰的Ce-NPs在生物医学领域具有广泛的应用潜力。

此外，为了进一步验证这些纳米材料的性能，研究者还采用了多种分析手段。通过X射线衍射（XRD）分析，确认了Ce-NPs的晶体结构和晶粒尺寸的变化。实验结果显示，原始Ce-NPs的晶粒尺寸较大，经过壳聚糖和聚乙二醇修饰后，晶粒尺寸显著减小，从35纳米减少到15纳米。这种尺寸的减小不仅有助于提高纳米颗粒的生物相容性，还可能增强其在生物体内的靶向性和药物输送效率。通过扫描电子显微镜（SEM）分析，研究者观察到修饰后的Ce-NPs表面形态更加均匀，而原始Ce-NPs则呈现出不规则的表面结构。这表明，聚合物修饰能够有效改善纳米颗粒的分散性和稳定性，减少其在体内的聚集现象。

在功能性分析方面，研究者使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测了纳米颗粒表面的官能团变化。结果表明，壳聚糖和聚乙二醇修饰后的Ce-NPs表面存在不同的官能团，这些官能团可能影响纳米颗粒与生物分子之间的相互作用。同时，通过振动样品磁强计（VSM）分析，研究者进一步探讨了修饰后的Ce-NPs的磁性行为。这些分析结果为纳米颗粒在生物医学中的应用提供了重要的理论支持。

研究者还通过琼脂稀释法评估了纳米颗粒的抗菌活性。实验结果显示，PEG修饰的Ce-NPs在对抗大肠杆菌和白色念珠菌方面表现出色，其抑菌圈大小均在10毫米以上，表明其具有良好的抗菌性能。与此同时，通过MTT法（3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide）评估了纳米颗粒的抗癌活性。实验结果表明，PEG修饰的Ce-NPs对MCF-7乳腺癌细胞显示出显著的抑制作用，其细胞存活率明显下降，说明其具有良好的抗癌潜力。

在研究过程中，研究者使用了高纯度的化学试剂，包括Ce(NO3)3·6H2O、NaOH、壳聚糖和聚乙二醇。这些试剂的纯度均在99%以上，以确保实验的准确性和可靠性。通过共沉淀法合成Ce-NPs，并利用壳聚糖和聚乙二醇对其进行表面修饰。合成后的纳米颗粒通过XRD、SEM、FTIR和VSM等多种分析手段进行了详细表征，以确认其结构、形态、官能团和磁性等特性。

本研究的创新之处在于首次对原始Ce-NPs、壳聚糖修饰Ce-NPs和聚乙二醇修饰Ce-NPs进行了系统比较，以评估它们在生物医学应用中的表现。研究结果表明，通过壳聚糖和聚乙二醇的修饰，可以有效改善Ce-NPs的生物相容性、分散性和功能活性，使其在抗菌和抗癌方面表现出更高的效果。这些发现为未来开发新型纳米材料在生物医学中的应用提供了重要的参考依据。

在未来的应用前景方面，研究者认为这些修饰后的Ce-NPs可以用于体内治疗，尤其是在超声热疗（hyperthermia therapy）方面。通过在体内的实验测试，研究者可以进一步验证这些纳米材料的治疗效果，并探索其在临床中的应用潜力。此外，研究者还建议未来的研究可以进一步探讨不同修饰材料对Ce-NPs性能的影响，以优化其在生物医学中的应用效果。

总之，本研究通过对Ce-NPs进行壳聚糖和聚乙二醇的表面修饰，成功提升了其在生物医学中的应用价值。研究结果表明，PEG修饰的Ce-NPs在抗菌和抗癌方面表现突出，具有良好的生物相容性和功能活性。这些发现不仅为纳米材料在生物医学中的应用提供了新的思路，也为未来的研究和开发奠定了坚实的基础。