二氧化钛薄膜光催化（真空紫外TiO2光催化结合氧气纳米气泡系统水解透明质酸）

研究背景

透明质酸（HA）是关节、皮肤和角膜细胞外基质的主要成分，是一种在制药、生物医学和化妆品应用中的广泛应用的物质。HA分为低分子量（LMW-HA，MW:104-106 Da）和高分子量（HMW-HA、MW>106 Da）形式。通常，LMW-HA在各种功能方面表现出比HMW-HA更好的生物活性。因此，必须高效生产化学和结构上保存的低分子量HA，并保持其生物活性，以避免或最小化副作用。目前，已使用多种HA解聚方法生产低分子量HA，酶和酸水解也可能通过解聚过程中新形成的结构向人体传播有害影响，并可能基于副反应副产物引入污染物，因此不适合在生物系统中应用。基于HA的产品可能被细菌内毒素污染，这可能导致接受植入物的患者发炎。因此，紫外线照射和光催化剂二氧化钛（TiO2）的结合是一种很有前景的候选技术。为了克服真空紫外治疗的这一局限性，可以利用氧纳米气泡技术。基于目前情况，韩国首尔市延世大学的Young Hoon Roh团队研究利用光催化与氧气纳米鼓泡工艺相结合的方法生产安全的LMW-HA。使用VUV-TiO2和纳米气泡的AOP系统可以利用羟基自由基的协同氧化电位快速降解HMW-HA并有效去除内毒素。并设计了利用VUV光产生臭氧、TiO2涂层光催化形成羟基自由基以及利用氧纳米气泡中的羟基自由基增强有机化合物氧化裂解的组合。

相关成果以题为“Hyaluronic acid hydrolysis using vacuum ultraviolet TiO2 photocatalysis combined with an oxygen nanobubble system”发表在国际学术期刊《Carbohydrate Polymers》（IF=10.723）上。

研究成果

在本研究中，首次将真空紫外光催化剂（VUV-TP）与纳米气泡系统结合，以降解HA并去除水溶液中的内毒素。带有纳米气泡的VUV-TP被证实是一种通过氧化降解生产LMW-HA（约50kDa）的有效且安全的方法，且无显著的化学变化。使用UV吸收、FTIR和1H-NMR光谱对LMW-HA和HMW-HA的结构进行了表征，表明LMW-HA的化学结构在操作过程中不随HMW-HA降解而改变。与传统的酸水解和酶水解相比，利用VUV-TP和纳米气泡制备的LMW-HA具有相似的分子量、粘度和化学结构。但与酸水解和酶水解相比，带有纳米气泡的VUV-TP显示出三大优势。首先，含纳米气泡的VUV-TP降解HA，无任何二次产物。其次，该体系对降低内毒素水平和HA分子量具有协同作用。纳米气泡和UV-TiO2比其他过程产生更多的羟基自由基，并且在纳米气泡和TiO2区域之间的空间内，内毒素的降解可以增强。第三，该工艺是一种无化学物质、非热、无酶的工艺，环保节能，无需任何附加工艺。因此，这种安全、经济高效的HA降解系统可以应用于广泛的实际应用，包括食品、化妆品和医疗领域。

研究数据

图1. 纳米气泡的生成和表征。（A） 纳米气泡系统的VUV-TP实验方案。（B） 微气泡和纳米气泡的透射电子显微镜图像。比例尺：5μm和500 nm。（C） 气泡发生器处理后水中微气泡的数字图像。（D） VUV-TP处理后水中纳米气泡的数字图像。（E） VUV-TP处理一小时以上微气泡和纳米气泡的流体动力学尺寸变化的时间过程。

图2. 不同方法降解HA产品的物理特性。（A） 在存在或不存在TiO2催化和起泡系统的情况下，使用不同光源降解HA的分子量和（B）UV扫描光谱。（C，D）在存在或不存在TiO2催化和鼓泡系统的情况下，降解HA在3 h处理期间的粘度变化和（E，F）pH变化的时间进程（UV-TP:UV TiO2，VUV-TP:VUV TiO2，MB：微泡，NB:纳米泡）。矩形上的不同字母表明，数值在p<0.05时存在显著差异（邓肯检验）。

图 3. 不同方法降解HA产品的结构分析。（A）不同光源降解HA的FTIR光谱和（B）1H NMR光谱，存在或不存在TiO2催化和起泡系统（UV-TP:UV TiO2，VUV-TP:VUV TiO2，MB：微气泡，NB：纳米气泡）。

图4. 不同方法降解的HA产品的生物和抗氧化活性。（A，B）在存在或不存在TiO2催化和鼓泡系统的情况下，3 h处理期间，不同光源降解HA的DPPH清除活性变化和（C，D）内皮素浓度变化的时间进程（UV-TP:UV TiO2，VUV-TP:VUV TiO2，MB：微泡，NB：纳米泡）。

图5. 通过VUV-TP-NB和传统方法对降解HA产品的物理性能进行比较。（A，B）不同处理时间内，酸、酶和VUV-TP与纳米气泡降解HA的分子量和分子量变化的时间进程。（C） 粘度，以及（D）使用酸、酶和VUV-TP和纳米气泡降解HA的UV扫描光谱。矩形上的不同字母表明，数值在p<0.05时存在显著差异（邓肯检验）。

图6. 通过VUV-TP-NB和传统方法降解HA的结构比较。（A） FTIR光谱、（B）1H NMR光谱和（C）使用酸、酶和带有纳米气泡的VUV-TP降解HA的可能结构。

图7. VUV-TP-NB和传统方法降解HA产品的生物活性比较。（A，B）不同处理时间下，酸、酶和含纳米气泡的VUV-TP降解HA的DPPH清除活性和DPPH消除活性变化的时间进程。（C，D）ABTS清除活性和不同处理时间内，使用酸、酶和带有纳米气泡的VUV-TP降解HA的ABTS清除活动变化的时间进程。矩形上的不同字母表明，数值在p<0.05时存在显著差异（邓肯检验）。

图8. VUV-TP-NB和传统方法降解HA产品的内毒素降解比较。（A）纳米泡VUV-TP降解内毒素的机理。（B，C）不同处理时间内，使用酸、酶和带有纳米气泡的VUV-TP降解HA的内毒素浓度和内毒素浓度变化的时间进程。矩形上的不同字母表明，这些值在p<0.05（邓肯检验）下有显著差异。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144861722010839?via=ihub

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