暨大刘明贤教授团队 AFM：埃洛石管内限域生长氧化铈用于皮肤紫外防护与生物膜抑制

紫外线和微生物定植会对皮肤造成严重伤害，黏土矿物是天然的皮肤保护剂，自古以来动物和人类都常在皮肤上涂抹黏土矿物用于防晒和抗感染。现代研究发现高岭石族黏土是稀土元素的主要载体，稀土可通过离子交换和配位络合作用吸附于黏土的铝氧片层结构羟基上。埃洛石纳米管(Halloysite nanotubes，HNTs)是由高岭土片层向内卷曲形成的天然中空管状黏土纳米管，其内腔表面由铝氧片层构成，这使稀土元素易吸附于HNTs内腔中，并可进一步生长成核为纳米晶。从而获得一种新型复合材料用于皮肤抗炎和抗癌防护。

近日，暨南大学化学与材料学院刘明贤教授团队利用天然黏土HNTs对稀土元素Ce的强吸附性，提出了一种在HNTs内腔限域合成高分散CeOx纳米晶体的策略，并以 CeOx@HNTs水分散液为水相，聚二甲基硅氧烷为油相制备了低皮肤刺激性的Pickering乳液防晒乳(称为CeOx@HNTs防晒乳)。由于Pickering乳液界面效应，CeOx@HNTs防晒乳相比其水分散体表现出增强的紫外线吸收性能，可有效避免紫外诱发的皮肤DNA损伤、凋亡、角质增厚和异常增生，降低皮肤癌变风险。此外，该防晒乳可通过损伤细菌细胞膜抑制生物膜的形成，防止细菌在皮肤的定殖(图1)。

该工作以“Confined-Synthesis of Ceria inTubular Nanoclays for UV Protectionand Anti-Biofilm Application”为题在国际知名期刊Advanced FunctionalMaterials发表。该文章第一作者是暨南大学化学与材料学院博士冯悦，唯一通讯作者为暨南大学化学与材料学院刘明贤教授。

图1. CeOx在HNTs内腔的限域合成及CeOx@HNTs Pickering乳液用于紫外防护和生物膜抑制的示意图。

CeOx在HNTs管腔的限域合成是在碱性介质中通过溶剂热法合成的。其原理是Ce3+在碱性条件下水解形成Ce的氢氧化物，包括Ce(OH)4、[Ce(OH)1]2+和[Ce(OH)2]+，这些前驱体在水热反应中被O2逐渐氧化形成CeOx纳米粒子。TEM照片显示大部分CeOx生长于HNTs内腔上，具有良好的分散性，较少形成团聚体。HNTs狭窄的内腔空间可限制晶核生长，有效控制CeOx尺寸，从无HNTs时自由生长的16.5±6.0 nm减小至6.2±1.7 nm。在HNTs内腔限域生长使Ce3+的百分比从自由合成的CeOx的19.05%显著增加至28.78%，意味着氧空位导致的缺陷结构增多。CeOx在HNTs中的限域合成使其最大紫外吸收波长从326 nm降低到297 nm，更接近DNA和RNA的吸收波长(260 nm)，增强了对紫外诱导基因毒性的防护能力(图2)。

图2. CeOx@HNTs的合成与表征。

传统的乳液制备方法使用表面活性剂来稳定乳液，而Pickering乳液则利用固体颗粒的表面性质来实现乳液的稳定，可减少对皮肤的刺激和不良反应。由于HNTs微纳米级的粒子结构和胶体特性，可吸附于油水界面形成紧密排列的单层膜或多层膜结构，CeOx@HNTs可作为界面活性剂稳定聚二甲基硅氧烷制备Pickering乳液防晒乳。由于CeOx在管内的合成保留了HNTs外壁丰富的的活性位点，可在外壁进行硅烷接枝以调节润湿性，提高三相接触角，制备更稳定的Pickering防晒乳液。乳液状态的CeOx@HNTs显示出更强的紫外吸收性能，为水分散体的3倍。这一现象可用Pickering乳液界面理论来解释，即在Pickering乳液界面区域粒子的高度分散和规律排列有助于粒子-光反应动力学，从而显著增强紫外线吸收性能(图3)。

图3. CeOx@HNTs防晒乳的制备与表征。

为评价CeOx@HNTs防晒乳在动物水平的紫外防护效果，每只小鼠背部皮肤的紫外线暴露区被分为四个部分，分别涂抹生理盐水、HNTs乳液、市售Anessa防晒乳或CeOx@HNTs防晒乳，然后暴露于高剂量紫外线。皮肤切片的免疫荧光结果显示，CeOx@HNTs防晒乳和Anessa防晒乳都可有效防止真皮层中γ-H2AH(DNA损伤)和Cleaved-Caspase-3(凋亡)的大量积累。病理切片的H&E和Masson染色表明，未受保护组表现出明显的紫外光毒性，如表皮增生和角蛋白异常表达。相反，CeOx@HNTs防晒乳组无明显组织病理学损伤，表明该防晒乳可有效避免紫外引发的基因毒性、细胞凋亡、表皮增生和角质增厚，显著降低皮肤癌风险(图4)。

图4. CeOx@HNTs防晒乳在动物水平的皮肤紫外防护效果。

此外，生物膜的形成是导致皮肤感染的一个重要因素。图5结果表明，CeOx@HNTs防晒乳可有效抑制生物膜形成，其机制主要涉及细菌膜-纳米粒子的物理相互作用和氧化应激。HNTs作为高长径比的纳米粒子可破坏细菌膜完整性，影响细菌代谢和界面黏附。防晒乳中的CeOx的可变价态具有的氧化还原活性，产生ROS导致细菌膜上脂质、蛋白质等成分受到氧化损伤，最终导致膜破裂。在HNTs管内合成的CeOx优良的紫外吸收特性还带来了光催化的协同效果，促进氧化-还原级联反应产生ROS，从而增强生物膜抑制效果。这些结果表明CeOx@HNTs防晒乳的紫外吸收和光催化性能使其可在户外阳光照射下兼具防晒和抑制生物膜功能(图5)。

图5. CeOx@HNTs防晒乳的生物膜抑制效果。

该工作得到了国家自然科学基金和佛山国家高新技术产业开发区产业化创业团队计划项目的资助。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307157

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