综述：生物源银、金、铁和铜纳米颗粒在抗菌、细胞毒性和药物递送应用中的最新见解

本综述系统阐述了植物提取物介导绿色合成金属纳米颗粒（MNPs）的最新进展，重点聚焦银（AgNPs）、金（AuNPs）、铁（FeNPs）及铜（CuNPs）纳米颗粒。文章深入探讨了其合成策略、表征技术、抗菌及抗癌机制（如活性氧ROS生成、膜破坏），以及在靶向药物递送、生物成像和环境修复中的应用，凸显了绿色纳米技术（Green Nanotechnology）在生物医学领域的可持续价值和广阔前景。

　　

引言

绿色与可持续化学已成为现代科学的核心范式，其核心在于设计能最大限度减少环境影响、同时提升效率与安全性的化学产品和过程。与传统方法不同，绿色化学强调可再生原料、废物减排、能源效率及无毒试剂，从而使科学创新与全球可持续发展目标保持一致。在此背景下，纳米技术作为一种变革性工具，与绿色化学原则相交汇。它能够在原子和分子尺度上操纵材料，提供独特的物理化学性质，如高比表面积、可调反应性和增强的催化活性。这些特性使纳米材料在绿色催化、可再生能源存储、环境修复以及可生物降解或可回收纳米结构的开发中极具价值。

当以绿色化学原则为指导时，纳米技术可以发挥双重作用：既推动科学创新，又应对生态和社会关切。例如，生态友好的合成路线——通常被称为“绿色纳米技术”——利用植物提取物、微生物或良性溶剂来生产毒性降低的纳米颗粒。

绿色化学原理与纳米技术的融合

绿色化学的十二项原则为设计更安全、更可持续的化学过程提供了框架，这些原则与纳米技术高度相关。纳米材料的合成与应用常涉及危险试剂、高能耗和废物产生。通过应用绿色化学概念，纳米技术可以发展成为不仅生产具有优异理化特性的材料，而且与全球可持续发展目标保持一致的学科。

例如，预防原则主张从源头上减少废物，这在纳米技术中转化为可最大限度减少有毒副产物的生物合成方法。原子经济性和较少有害化学合成通过使用天然还原剂（如植物多酚、微生物代谢物和酶）将金属盐直接转化为纳米颗粒来实现，副反应极少。同样，更安全的溶剂和助剂体现在使用水或良性植物提取物作为反应介质，而不是挥发性有机溶剂。

能源效率原则尤为重要，因为传统的纳米颗粒制造通常需要高温或高压，而绿色合成在环境条件下进行，从而节省能源。农业废物或果皮等可再生原料可以作为还原剂和稳定剂，取代不可再生的化学投入品。根据催化原则，许多绿色合成的纳米颗粒（例如Ag、Au和Cu）本身可作为有效的催化剂，提高选择性同时减少化学废物。

同样重要的是降解设计，它支持使用可生物降解的涂层或纳米颗粒（如氧化铁），在完成其生物医学作用后可以自然同化到代谢途径中。实时分析确保可以通过光谱监测纳米颗粒合成以防止不需要的副产物，而本质更安全的设计通过避免危险试剂、加压系统或爆炸性溶剂来最大限度地减少事故。

在纳米技术中，这些原则的采用使得能够创建具有生物相容性、可持续性且更安全的生物医学和环境应用的多功能纳米颗粒。

绿色合成与植物介导的纳米技术

纳米材料的合成传统上依赖于物理和化学方法，例如热分解、激光烧蚀、溶胶-凝胶处理或化学还原。虽然有效，但这些方法通常需要高能量输入、危险试剂或有毒溶剂，从而引发了对环境可持续性和生物安全性的担忧。为了克服这些缺点，绿色合成方法作为生态友好的替代方案出现，将绿色化学原理整合到纳米技术中。

在不同的生物资源中，植物及其衍生物作为生物合成金属纳米颗粒（MNPs）的有效还原、稳定和封端剂而受到广泛关注。植物基系统特别有利，因为它们是可再生的、廉价的，并且含有多种植物化学物质（例如类黄酮、萜类化合物、酚酸、生物碱、蛋白质和多糖），可以同时还原金属离子并稳定所得纳米结构。与需要无菌条件和较长处理时间的微生物方法不同，植物介导的合成快速、可扩展且不需要复杂的基础设施。

广义的绿色合成程序通常涉及从叶、茎、根、花或果实制备植物提取物，然后将其与金属盐（如AgNO₃、HAuCl₄、FeCl₃或CuSO₄）的水溶液混合。提取物中的植物化学物质充当还原剂，将金属离子转化为纳米颗粒，而其他生物分子则充当封端或稳定剂以防止聚集。反应条件如pH、温度、提取物浓度和反应时间可以优化以控制纳米颗粒的尺寸、形态和表面特性。植物介导的纳米颗粒合成的新颖之处在于其简单性、生态友好性和生物医学相容性。与传统方法可能产生具有有毒残留物的纳米颗粒不同，绿色合成提供了适用于药物递送、抗菌涂层、生物成像和癌症治疗等医学应用的生物相容性纳米结构。

金属纳米颗粒的生物医学应用

纳米材料（NMs）凭借其独特的物理化学特性，如高表面体积比、可调尺寸和多功能表面化学，在过去二十年中彻底改变了生物医学领域。它们与细胞和亚细胞水平的生物分子相互作用的能力为诊断、治疗、药物递送和组织工程提供了超越传统治疗剂局限性的机会。

在生物医学科学中，纳米颗粒因其多样化的应用而得到广泛认可。最突出的之一是它们的抗菌活性，因为许多MNPs通过活性氧（ROS）生成、膜破坏和干扰微生物DNA等机制表现出强大的杀菌、杀真菌甚至抗病毒作用。此外，它们作为药物递送系统的作用非常重要，纳米颗粒充当保护性载体，能够以受控和靶向的方式封装和释放治疗分子，从而提高生物利用度并最大限度地减少全身毒性。

另一个主要应用领域是癌症治疗，其中金属NMs能够实现靶向药物递送、热疗、光热和光动力治疗等策略，并作为放射增敏剂以提高常规治疗的有效性。除了治疗之外，纳米材料还推动了生物成像和诊断的发展，功能化纳米颗粒被整合到MRI、CT、荧光成像和表面增强拉曼散射等模式中，以实现更早、更精确的疾病检测。此外，在组织工程和再生医学中，NPs通过生物活性信号通路有助于刺激细胞反应、改善支架特性和促进组织修复和再生。

特定金属纳米颗粒的特性与应用

在NPs中，银纳米颗粒（AgNPs）因其强大的抗菌和抗炎特性而广受欢迎。AgNPs有许多生物、物理和药理学应用。例如，用于药膏中以阻止伤口和烧伤中的细菌感染。AgNPs可以通过气相法、液相合成、固态法、溅射、激光烧蚀和机械研磨等多种工艺制造。然而，这些策略后来被发现存在风险，这导致了对生物来源NPs的需求。AgNPs可以由细菌、真菌、植物和放线菌生物合成，消除了对危险材料的需求，并为制药和医疗行业的新用途开辟了可能性。

对MNPs研究的最新发展表明，铜纳米颗粒（CuNPs）对多种细菌具有有效的细胞毒作用，使其成为有效的抗真菌剂。由于其在化学、电子、光学、生物修复、传感器和生物领域的众多用途，CuNPs引起了广泛关注。使用微生物生物絮凝剂成功生物合成了CuNPs，证明了它们在环境应用方面的巨大潜力。FT-IR分析显示生物絮凝剂和CuNPs存在重要的官能团，表明可能存在稳定NPs的相互作用。UV-Vis光谱验证了Cu²⁺离子成功还原为Cu⁰纳米颗粒，与铜离子反应后颜色从浅蓝色变为深蓝色。583 nm的表面等离子体共振信号进一步证实了CuNPs的存在。CuNPs的表面形态通过SEM、TEM和XRD确认。它们呈球形，主要由铜和氧组成，平均尺寸约为20 nm，并且是结晶的。

铁纳米颗粒（FeNPs）独特的物理化学特性，如高比表面积、磁性行为以及与块状铁相比更高的反应性，使其成为一类非常有用的NPs。这些NPs有几种不同的类型，包括零价铁（nZVI）和氧化铁如赤铁矿（Fe₂O₃）和磁铁矿（Fe₃O₄），每种都有独特的特性和用途。总的来说，对FeNPs的研究正在迅速扩展，并在科学和工业领域具有潜在的应用。

金纳米颗粒（AuNPs）最著名和最重要的应用是在生物医学诊断，特别是快速诊断测试和生物传感。它们强烈的纳米级颜色变化以及与生物分子（如抗体或DNA）选择性结合的能力，使其成为快速、精确且易于解释的测试（如COVID-19侧向流动分析和妊娠测试）的理想选择。AuNPs的低毒性、稳定性、功能化和易于检测的特性使其成为生物应用的明确选择。此后，高科技行业如有机光伏、治疗剂、传感探针、生物和医学应用中的药物管理、电子设备和催化都研究并利用了AuNPs独特的光电特性。科学家已经证明了使用植物生物合成AuNPs。

生物纳米复合材料与未来趋势

绿色纳米技术领域的最新创新显著推进了具有增强可持续性和多功能性的纳米复合材料和混合复合材料的发展。通过生态友好策略合成的绿色纳米复合材料不仅减少了有毒副产物，而且提高了生物相容性和结构稳定性，使其非常适用于生物医学和环境应用。生物聚合物、天然提取物和金属纳米颗粒的整合产生了在药物递送、抗菌作用和癌症治疗方面具有卓越性能的生物纳米杂化系统，提供了传统材料的可持续替代品。

基于绿色纳米复合材料载体的新型药物递送平台正在成为一个关键的研究前沿，能够实现控制释放、位点特异性靶向和降低的系统毒性。此外，纳米金属与陶瓷基复合材料和多糖衍生基质的杂化等结构创新拓宽了它们在催化、生物传感和再生医学中的应用。总的来说，这些进展强调了绿色纳米复合材料和混合生物材料的可持续潜力，与全球向生态安全和下一代治疗系统的研究趋势保持一致。

绿色合成为MNPs生产提供了一种比传统方法更具生物相容性和生态友好性的替代方案，尽管在产量和可扩展性方面仍然存在挑战。MNPs为生物医学应用提供了一个可持续的平台。从根本上说，绿色化学辅助合成依赖于可再生生物资源，以可持续的方式介导纳米材料的还原、稳定和功能化。近年来，这些绿色合成的纳米材料与混合复合系统（如聚合物-金属、陶瓷-纳米金属和生物分子-纳米颗粒组装体）的融合，为靶向药物递送、抗菌疗法、生物传感和环境修复开辟了新的可能性。

因此，本综述重点介绍了MNPs（银、金、铁和铜）的绿色合成和表征，作为稳定且无毒的纳米材料，同时强调了生物纳米杂化复合材料作为下一代生物医学技术的多功能和可持续平台的创新应用。纳米材料的新颖性最近已转向生物纳米复合材料，即结合生物聚合物（例如壳聚糖、纤维素、藻酸盐）与金属或碳基纳米颗粒的混合结构。这些材料将天然聚合物的生物相容性和可生物降解性与纳米材料的独特功能相结合，提供增强的稳定性、降低的毒性和多功能性。它们的应用在药物递送、伤口愈合、组织再生、癌症治疗、生物传感甚至食品包装方面迅速流行，反映了全球对生态友好和可持续纳米技术解决方案的需求。因此，生物纳米复合材料不仅代表了一种科学新颖性，也是现代纳米科学中一种日益增长的时尚。

结论与展望

绿色合成的金属纳米颗粒（MNPs）已成为生物医学和材料科学中一个可持续的创新平台，将环保生产与生物相容性和多功能性相结合。银、金、铁和铜纳米颗粒各自展现出独特的性质，使其适用于多种生物医学应用。银纳米颗粒显示出强大的抗菌潜力，包括对抗多重耐药病原体的活性，而金纳米颗粒在癌症诊断和治疗中表现出色。

尽管具有广阔的生物医学潜力，金属纳米颗粒（MNPs）仍面临重大限制，阻碍其临床转化。这些限制包括不可预测的生物反应、可能的副作用、耐药性的出现以及关于长期安全性的未解决问题。大规模生产、重现性和严格的监管验证等额外挑战进一步限制了它们的广泛使用。因此，未来的研究应优先考虑稳健的毒理学评估、标准化协议以及开发智能、可生物降解的纳米复合材料，以克服这些障碍。将人工智能（AI）用于纳米颗粒设计和个性化医疗，以及探索MNPs在神经退行性疾病和再生医学等新领域的作用，代表了未来有前景的方向。最终，绿色合成MNPs与先进生物材料技术的持续整合有望彻底改变治疗方式，为更安全、更有效和可持续的医疗保健解决方案铺平道路。