Grüne Synthese von Goldnanopartikeln mit Mimosa tenuiflora Rindenextrakt: Zytotoxizität, zelluläre Aufnahme und katalytischer Abbau von Methylenblau

Zusammenfassung

Goldnanopartikel (AuNPs), hergestellt über pflanzenbasierte grüne Chemie, bieten breite biomedizinische Perspektiven. Hier berichten wir über AuNPs, synthetisiert aus Mimosa tenuiflora Rindenextrakt (Mt) unter kontrollierten Vorläuferkonzentrationen. Mt wurde in Ethanol-Wasser extrahiert, und seine antioxidative Aktivität wurde durch DPPH- und Gesamtpolyphenol-Assays quantifiziert. Die resultierenden AuMt-Kolloide zeigten diverse Morphologien (20–200 nm) und wurden durch TEM, XRD, UV-Vis, FTIR und XPS charakterisiert. AuMt zeigte katalytische Aktivität bei der Reduktion von Methylenblau (MB) durch NaBH₄, wobei die kleinsten Partikel (AuMt1) eine Abbaugeschwindigkeitskonstante von 8,24 × 10⁻³ s⁻¹ und 50 % MB-Entfernung in 190 s aufwiesen. Zytotoxizitätsstudien an menschlichen Nabelschnur-Endothelzellen (HUVEC) zeigten moderate Effekte bei 24–48 h, ohne klarer Dosis-Wirkungs-Beziehung. Konfokalmikroskopie demonstrierte zytoplasmatische Lokalisierung von AuMt1 und perinukleäre Akkumulation von AuMt2, was effiziente zelluläre Internalisierung ohne Kernpenetration anzeigt. Diese Ergebnisse positionieren AuMt als vielversprechende Nanoträger und katalytische Agenten in der grünen Nanomedizin.

Einleitung

Ein-Topf-, pflanzenvermittelte Synthese von metallischen Nanomaterialien ist eine umweltfreundliche Alternative zu konventionellen Wegen, die bio-reduzierende und kappende Agenten in Pflanzenextrakten nutzt. Mimosa tenuiflora Rinde ist reich an kondensierten Tanninen, Flavonoiden, Saponinen, Alkaloiden und Stärke, die alle Au³⁺ zu Au⁰ reduzieren und die resultierenden Nanopartikel stabilisieren können. Frühere Studien haben Mt-Extrakte für antibakterielle, antiprotozoale und hautregenerative Anwendungen genutzt, was sein antioxidatives Potenzial und Polyphenolgehalt unterstreicht. Die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) von AuNPs ist empfindlich gegenüber Partikelgröße, Form und der chemischen Natur der umgebenden Stabilisatormoleküle, was sowohl optische als auch katalytische Eigenschaften beeinflusst. Grün-synthetisierte AuNPs wurden für Umweltsanierung, einschließlich Farbstoffabbau, und als Sonden für Metallionendetektion oder Theranostik angewendet. Die vorliegende Arbeit bewertet AuNPs, hergestellt aus Mt-Rindenextrakt, und beurteilt ihre physikochemischen Eigenschaften, Zytotoxizität in HUVEC-Zellen, zelluläre Aufnahme und katalytische Effizienz im MB-Abbau.

Materialien und Methoden

Materialien und Extraktvorbereitung

15 g Mt-Rinde wurde in 70 ml Ethanol (99 %) und 30 ml ultrareinem Wasser (18 MΩ) für 15 Tage bei Raumtemperatur mazeriert. Der Filtrat wurde gesammelt, zentrifugiert (14.000 rpm, 1 h) und lyophilisiert für Antioxidantien-Assays. Die Mt-Extraktkonzentration wurde über eine Kalibrierkurve auf 32,5 mg ml⁻¹ bestimmt. Goldvorläuferlösungen von 5,3 mM (AuMt1) und 2,6 mM (AuMt2) wurden in ultrareinem Wasser hergestellt. In jeder Synthese wurden 1,6 ml Mt-Extrakt und die Goldlösung in einem 50-ml-Röhrchen gemischt, bei 3000 rpm für 10 s vortexiert, und der resultierende Farbwechsel bestätigte die AuNP-Bildung. Die Kolloide wurden durch wiederholte Zentrifugation (14.000 rpm, 1 h) gereinigt und in Ethanol resuspendiert, gefolgt von Sonikation und einem abschließenden Trockenhitze-Schritt bei 40 °C, um AuMt-Nanokomposite zu erhalten.

Charakterisierungstechniken

UV-Vis-Spektren (200–400 nm für Extrakt; 250–875 nm für AuMt) wurden an einem Perkin-Elmer Lambda 40 aufgenommen. SPR-Kinetik wurde bei 550–560 nm überwacht. DPPH (300 µM) und Gesamtpolyphenol (Folin-Ciocalteu) Assays quantifizierten die antioxidative Kapazität, ausgedrückt als % Scavenging und Gallussäure-Äquivalente. Zeta-Potenzial und dynamische Lichtstreuung (DLS) wurden an einem Malvern Zetasizer gemessen. FTIR-Spektren (4500–500 cm⁻¹) und XPS (Au 4f, C 1s, O 1s) lieferten Einblicke in die Oberflächenchemie. TEM (JEOL 2010F, 200 keV) und HRTEM bewerteten Morphologie und Gitterabstände; EDS bestätigte die elementare Zusammensetzung. XRD (Bruker D8 QUEST, CuKα) identifizierte kristalline Phasen. Zelluläre Aufnahme wurde via konfokale Laserscanning-Mikroskopie (CLSM, Zeiss LSM 800) mit 640 nm Anregung visualisiert. Zytotoxizität wurde durch MTT-Assay an HUVEC-Zellen (DMEM + 10 % FBS, 37 °C, 5 % CO₂) bei Konzentrationen 25–200 µg ml⁻¹ für 24 und 48 h gemessen. Live/Dead-Färbung (Calcein/Ethidiumhomodimer) ergänzte Lebensfähigkeitsdaten.

Katalytischer Abbau von Methylenblau

MB (3,33 × 10⁻⁵ M) wurde durch NaBH₄ (100 mM) in Gegenwart von 90 µl AuMt (2 mg ml⁻¹) reduziert. UV-Vis-Überwachung bei 660 nm ergab Abbauprozente (%D). Die Geschwindigkeitskonstante K wurde aus dem Langmuir-Hinshelwood-Linearen Plot von ln(A/A₀) vs. Zeit abgeleitet.

Ergebnisse und Diskussion

Synthese und Antioxidantien-Charakterisierung

Der Mt-Extrakt zeigte einen prominenten UV-Vis-Peak bei 280 nm, indikativ für Polyphenole. DPPH-Inhibition erreichte 50 % bei 12,5 µg ml⁻¹, vergleichbar mit Vitamin C und Catechinen. Gesamtpolyphenolgehalt betrug 425 mg g⁻¹ Gallussäure-Äquivalente, was die Reduktionskapazität des Extrakts bestätigt.

AuNP-Morphologie und Größenverteilung

TEM-Bilder zeigten AuMt1-Partikel mit durchschnittlich 40 nm und diversen Formen, während AuMt2-Partikel durchschnittlich 150 nm groß und kugelförmiger waren. DLS-Messungen in Wasser ergaben hydrodynamische Durchmesser von 38 nm (AuMt1) und 150 nm (AuMt2), mit negativen Zeta-Potenzialen (≤ −30 mV), die kolloidale Stabilität begünstigen. In s-DMEM behielten beide Systeme Stabilität (ζ ≈ −25 mV), zeigten aber moderate Größenzunahmen durch Proteinkorona-Bildung (AuMt1: +34 nm; AuMt2: +43 nm).

Oberflächenchemie

FTIR-Spektren zeigten charakteristisches O-H-Strecken (≈ 3250 cm⁻¹) und C=O/C-O-Schwingungen (≈ 1705 cm⁻¹) für beide AuMt-Proben, was Adsorption von Tanninen und Flavonoiden bestätigt. XPS-Analyse zeigte vollständige Reduktion von Au³⁺ zu Au⁰ (Au 4f₇/₂ bei 84,9 eV). Die C 1s-Spektren zeigten C=O, C-O und C-C-Beiträge, wobei AuMt2 einen höheren C-O-Anteil aufwies, konsistent mit stärkerer Oberflächenoxidation phenolischer Gruppen während der Synthese.

Zytotoxizität und zelluläre Aufnahme

MTT-Assays zeigten einen moderaten Rückgang der Lebensfähigkeit (10–30 %) bei 24–48 h für Konzentrationen ≥ 50 µg ml⁻¹, ohne klaren dosisabhängigen Trend. Live/Dead-Färbung bestätigte hohe Zelllebensfähigkeit bei 50 µg ml⁻¹. CLSM zeigte zytoplasmatische Dispersion von AuMt1 und perinukleäre Lokalisierung von AuMt2 nach 24 h; 3D-Rekonstruktionen bestätigten Abwesenheit von Kernpenetration, was minimale Genotoxizität suggeriert. Quantitative Fluoreszenzintensität zeigte ein ~3:1 Aufnahmeverhältnis für AuMt1 gegenüber AuMt2, zuzuschreiben auf kleinere Größe, höheres Zeta-Potenzial und dünnere Proteinkorona.

Katalytische Leistung

AuMt1 erreichte 50 % MB-Abbau in 190 s mit einer Geschwindigkeitskonstanten K = 8,24 × 10⁻³ s⁻¹, übertraf AuMt2 (K = 3,54 × 10⁻³ s⁻¹). Die größenabhängige Aktivität stimmt mit der erhöhten Oberfläche kleinerer Nanopartikel überein.

Schlussfolgerungen

Wir demonstrieren eine skalierbare, raumtemperatur grüne Synthese von AuNPs mit Mimosa tenuiflora Rindenextrakt. Durch Abstimmung des Vorläufer/Extrakt-Verhältnisses kann die Partikelgröße präzise kontrolliert werden. AuMt-Nanopartikel zeigen günstige kolloidale Stabilität, moderate Zytotoxizität, effiziente zelluläre Aufnahme ohne Kerneintritt und robusten katalytischen Abbau von Methylenblau. Ihre intrinsische Fluoreszenz bei niedriger Anregungsleistung erhöht ihr Potenzial als fluoreszente Sonden und Drug-Delivery-Vehikel weiter. Zukünftige Arbeit wird sich auf die Minderung der Toxizität durch Oberflächenmodifikation und die Erforschung biomedizinischer Anwendungen konzentrieren.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Datensätze werden im Hauptartikel präsentiert.

Abkürzungen

ANOVA

Varianzanalyse

AuMt

Kolloide gebildet aus AuNPs und Mt-Molekülen

AuNPs

Goldnanopartikel

CLSM

Konfokale Laserscanning-Mikroskopie

DLS

Dynamische Lichtstreuung

DMEM

Dulbeccos modifiziertes Eagle-Medium

DMSO

Dimethylsulfoxid

DPPH

2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl

EDS

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

FTIR

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie

HAuCl₄

Tetrachlorgoldsaure

HRTEM

Hochauflösende TEM

HUVEC

Humane Nabelschnur-Endothelzellen

MB

Methylenblau

Mt

Mimosa tenuiflora

MTT

3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazoliumbromid

NaBH₄

Natriumborhydrid

PBS

Phosphat-gepufferte Kochsalzlösung

PDI

Polydispersitätsindex

PMT

Photomultiplier-Röhre

ROI

Region of Interest

SD

Standardabweichung

SPR

Oberflächenplasmonenresonanz

TEM

Transmissionselektronenmikroskopie

UV-Vis

Ultraviolett-Visible-Spektroskopie

XPS

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD

Röntgenbeugung