透析法制备蝌蚪状和球状血红素纳米颗粒：铁生物利用度实现308倍溶解度提升

摘要

血红素是一种生物利用度极高的铁源，但其微乎其微的水溶性严重限制了应用。本文报道了一种简单的透析法，可制备两种截然不同形态的血红素纳米颗粒——蝌蚪状（头部约200 nm、尾部约100 nm）和球状（50–100 nm）。两种形态均表现出显著提高的溶解度，其中球状颗粒在25 °C下较游离血红素实现了308倍的溶解度增强。这些纳米颗粒在酸性pH、高温及高离子强度条件下保持稳定，并展现出强近红外吸收，使其成为食品强化、生物医药递送及光热治疗的理想候选材料。

引言

铁缺乏影响全球近20%的人口，导致贫血和生活质量下降。植物来源的非血红素铁虽易获取，但吸收率往往不理想。血红素源自血红蛋白和肌红蛋白，吸收率高达50–87%，却因疏水性和难溶性难以大规模应用。蛋白复合、精氨酸共结晶、环糊精包合等传统策略虽能改善溶解度，但工艺复杂，难以放大生产。

纳米技术为提升疏水性生物活性物质的理化性质提供了新途径，且不改变感官属性。纳米颗粒可增加视在溶解度、改善生物利用度并实现靶向递送。本研究开发了一种简便的透析法制备形态可控的血红素纳米颗粒，系统表征其形貌、理化稳定性与溶解度，并探讨其应用潜力。

材料与方法

材料

血红素及8–12 kDa透析袋购自北京索莱宝。乙酮（≥99.5%）购自坎特化学。其余试剂均为分析纯。

血红素纳米颗粒制备

将血红素（0.1或0.5 mg mL⁻¹）溶于加入0.1 mL HCl酸化的乙酮中，置于透析袋中对去离子水透析，每日换水，冻干得纳米颗粒。考察参数包括血红素/水比例（1:3、1:5、1:10、1:50）、温度（4 °C或25 °C）及透析时长（1–5天）。

透射电镜（TEM）

日立7700 TEM，80 kV加速电压。样品滴铸于碳膜铜网，冻干后观察。

动态光散射（DLS）

马尔文Zetasizer Nano测量粒径、ζ电位及PDI（0.05%稀释，MilliQ水，25 °C）。

紫外-可见光谱

TU-1810分光光度计记录200–800 nm吸收谱，640 nm处测定浓度。

溶解度测定

游离血红素及纳米颗粒过饱和溶液在25、37、60、80 °C下搅拌（500 rpm，30 min），离心取上清液稀释后紫外-可见光谱分析。

稳定性测试

纳米颗粒悬浮液（0.5 mg mL⁻¹）置于pH 2–11、25–80 °C、NaCl 0–500 mM条件下，室温过夜监测粒径、ζ电位、PDI及浊度变化。

傅里叶变换红外（FTIR）、荧光光谱及X射线衍射（XRD）

Jasco Tensor 27采集400–4000 cm⁻¹ FTIR谱；Hitachi F-7000测定荧光（激发402 nm，发射300–600 nm）；Bruker AXS D8 ADVANCE测得2θ 4–40° XRD图谱。

结果与讨论

形成与形貌

0.5 mg mL⁻¹血红素下，1:10比例透析3天得球状纳米颗粒（50–100 nm）；比例增至1:50则形成棒状聚集体。反之，0.1 mg mL⁻¹条件下同参数产生蝌蚪状颗粒（头部约200 nm、尾部约100 nm）。TEM显示两者均单分散；DLS测得水动力学直径分别为218±6 nm（球状）和300±8 nm（蝌蚪状）。ζ电位分别为-21 mV和-11 mV，表明良好的胶体稳定性。PDI值0.35–0.40反映窄分布。

光学性质

UV-Vis谱显示游离血红素Soret带从344 nm红移至纳米颗粒的265 nm，标志着π-π共轭增强。两种形态均在660–770 nm呈现强近红外吸收，有利于光热和光声应用。荧光发射峰位于500 nm，高于游离血红素，归因于溶解度提高。

溶解度增强

游离血红素25 °C溶解度仅0.009 mg mL⁻¹。球状纳米颗粒达1.33 mg mL⁻¹，提升308倍；蝌蚪状达1.00 mg mL⁻¹。所有样品溶解度均随温度升高而增加，证实为热活化溶解过程。

结构确证

FTIR显示纳米颗粒N-H/O-H带（3470 cm⁻¹）变宽，表明氢键增强。XRD显示球状颗粒保留游离血红素晶体峰，蝌蚪状结晶度降低（35.7% vs 56.7%），提示部分非晶化。

稳定性

酸性pH（≤7）下粒径和PDI变化极小；碱性pH（≥9）聚集显著（>400 nm）。80 °C热处理仅轻微增大粒径，胶体完整性保持。高离子强度（≥250 mM NaCl）导致分散体系失稳。

结论

通过简单透析法成功制备蝌蚪状和球状血红素纳米颗粒，在25 °C实现308倍溶解度提升。颗粒具备优异的耐酸、耐热稳定性及强近红外吸收，可作为铁强化、药物递送及光热治疗的多功能平台。后续研究将聚焦药物负载及光热响应优化。