Multifunctional polyeugenol-based nanoparticles with antioxidant and antibacterial properties
兰巧巧，张旭颖，梁家铭，王伟，吕雷立，何佳敏，王泽锋*，曲春生*
Keywords: Polyeugenol-based nanoparticles; Bactericidal activities; Cytocompatibility
DOI: 10.1016/j.partic.2023.08.012
如何使材料同时具备抗菌和抗氧化性能，是食品以及医药领域关注的重点问题之一。丽水市人民医院与丽水学院合作研发，以取自精油的丁香酚为主要原料，由聚丁香酚单体合成表面分布双键且呈交联结构的种子纳米微球，再通过硫醇-烯反应以及在碱性甲醇溶液中水解反应将丁香酚的双键改性为硫醇基，并利用硫醇-烯点击反应将其接枝在纳米微球表面，从而获得一种同时具有抗菌、抗氧化性能且生物相容性、耐溶剂性能良好的纳米微球。而且，由于微球表面亲水性氨基的作用，还可促进亲水性药物的负载。本研究合成的聚丁香酚基纳米微球为药物递送和食品包装领域提供了理论支持。
上述成果发表在PARTICUOLOGY（Volume 87），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码进入ScienceDirect官网阅读、下载！
研究背景
细菌和氧气是影响食品保存和医疗安全的两个重要因素，因此，同时具备抗菌性能和抗氧化性能的材料受到食品和医药行业的青睐。但是，材料中同时引入具有抗菌性和抗氧化性的两种生物活性分子易引起不相容且存储稳定性差等问题。针对上述问题，作者选用来自精油的丁香酚为主要原料，利用丁香酚中的酚羟基活性基团，制备同时具有抗菌和抗氧化性能的纳米微球。
论文亮点
1.利用硫醇-烯点击反应将改性丁香酚双键接枝在种子纳米微球表面，使丁香酚中丰富的酚羟基活性基团得以保留。
2.合成的聚丁香酚基纳米微球呈交联结构且具有高的表面积以及丰富的氨基，表现出良好的吸附性能。
3.聚丁香酚基纳米微球具有良好的抗氧化性能，可有效降低细胞内ROS水平。
4.聚丁香酚基纳米微球还具有良好的抗菌活性和生物相容性。
要点精读
图1显示了多功能聚丁香酚基纳米微球的合成步骤。首先，以取自精油的丁香酚为主要原料，通过丁香酚的酚羟基与甲基丙烯酸异氰基乙酯亲核加成反应合成单体，合成的单体再与甲基丙烯酰胺聚合，得到种子纳米微球；再通过硫醇-烯反应以及在碱性甲醇溶液中的水解反应将丁香酚的双键改性为硫醇基；最终利用硫醇-烯点击反应将改性丁香酚接枝到种子纳米微球表面，从而得到聚丁香酚基纳米微球。
图1. 多功能聚丁香酚基纳米微球的合成路线
首先，作者对合成的丁香酚基纳米微球进行抗氧化性能检测。ROS（Reactive oxygen species）是细胞代谢过程中产生的副产物，过量ROS会破坏体内氧化还原平衡，从而导致氧化应激并造成重要细胞（如膜、蛋白质、DNA、RNA以及其他对生命至关重要的大分子等）结构损伤。因此，利用2，7-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）荧光法进行体外测定，评估了聚丁香酚基纳米微球对ROS的清除能力。图2结果显示，聚丁香酚基纳米微球有效降低了ROS水平；而且由MTT法（噻唑蓝比色法）细胞毒性测试结果可知，与丁香酚相比，聚丁香酚基纳米微球表现出显著的抗氧化性能。抗氧化性能的显著提升归功于聚丁香酚基纳米微球表面丰富的氨基活性基团，氨基的亲水性可促进与细胞的相互作用，从而有效降低了细胞内ROS水平，使纳米微球表现出持续的抗氧化性能。
图2. DCFH-DA荧光法测定聚丁香酚基纳米微球对ROS的清除能力。a. DCFH-DA处理后ROS的细胞荧光图像；b. H2O2处理后细胞内ROS的相对荧光强度，数据显示为平均值±标准偏差(n=3).*p＜0.05；c. 聚丁香酚基纳米微球、PE和丁香酚的细胞毒性测试
进一步，利用MIC（minimum inhibitory concentration）法评估了聚丁香酚基纳米微球的抗菌性能，并与市售丁香酚的抗菌性能进行比较。表1是市售丁香酚和聚丁香酚基纳米微球分别对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和具核梭杆菌的MIC值，结果表明聚丁香酚基纳米微球与市售丁香酚具有相似的抗菌活性。由此也说明聚丁香酚基纳米微球合成过程中有效保留了丁香酚固有的抗菌性能，该特性来自酚羟基的作用。同时又检测了聚丁香酚基纳米微球分别对金黄色葡萄球菌和具核梭杆菌的抗菌性能，结果如图3所示，聚丁香酚基纳米微球样品经多次杀菌循环后仍保持稳定，表现出持久的抗菌性能。
表1. 市售丁香酚、合成聚丁香酚基纳米微球的MIC值
图3. 聚丁香酚基纳米微球的重复抗菌实验
总结与展望
本文成功合成了一种内部呈交联结构、表面呈异质网状结构且富含酚羟基以及亲水性氨基的新型生物基聚合物纳米微球。合成的聚丁香酚基纳米微球具有良好的抗溶剂性能和持续的抗氧化性能，同时也具有良好的抗菌性能和生物相容性，而且还具有强的吸附能力，可作为一种药物递送的潜在应用，也为开发同时具备抗氧化和抗菌性能的丁香酚基材料提出了一种新的策略。
通讯作者简介
王泽锋，博士，丽水学院生态学院助理研究员。主要研究方向为功能性高分子材料的研发。
曲春生，博士，丽水市人民医院（温州医科大学附属第六医院，丽水学院附属第一医院）检验科主任技师。主要研究方向为检验技术与功能材料研发与分子机制探索。
供稿：原文作者
编辑：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Lan, Q., Zhang, X., Liang, J., Wang, W., Lv, L., He, J., . . . Qu, C. (2024). Multifunctional polyeugenol-based nanoparticles with antioxidant and antibacterial properties. Particuology, 87, 194-204. https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.08.012.