《Next Nanotechnology》：Recent advances in metallic nanoparticles: From characterization to toxicity and bioactivity
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在过去十年中，单金属纳米粒子（MNPs）、双金属纳米粒子（BMNPs）和多金属纳米粒子（MMNPs）的生物医学应用呈指数级增长，绿色合成因其可持续性和生态友好性而成为基石。受全球对新型疗法对抗微生物流行病和肿瘤疾病的紧迫需求驱动，多元素纳米粒子获得了显著关注。
在过去十年中，单金属纳米粒子（MNPs）、双金属纳米粒子（BMNPs）和多金属纳米粒子（MMNPs）的生物医学应用呈指数级增长，绿色合成因其可持续性和生态友好性而成为基石。受全球对新型疗法对抗微生物流行病和肿瘤疾病的紧迫需求驱动，多元素纳米粒子获得了显著关注。本综述全面审视了MNPs、BMNPs和MMNPs的分类、结构表征及显著差异。核心焦点放在双金属化和多金属化所固有的协同效应上；多种金属物种的相互作用诱导了结构、电学和机械改变，从而产生了单金属对应物无法实现的独特光学、热学和磁学性质。此外，研究人员强调了这些系统的经济和环境可持续性，展示了如何将地球丰富的过渡金属（如Fe、Cu）与贵金属（如Au、Ag）混合，创建出成本效益高、高效率的框架。表面等离子体共振（SPR）作为关键诊断工具的作用也得到了评估，阐明了SPR位移如何作为内部蓝图来解析复杂内部构型，例如混合合金与核壳结构。最后，本文探讨了这些纳米粒子的毒理学特征，并概述了其在抗癌、抗菌和抗炎治疗中安全、高效部署的战略路径。
1. 引言
单金属纳米粒子（MNPs）因其独特性质（如高催化性、尺寸、生物相容性和非寻常光学特性）在生物应用中表现出快速扩展和巨大兴趣。绿色合成途径相比物理和化学方法具有无毒性、无污染、生态友好、成本效益和可持续性等优势，通常使用微生物、水果和蔬菜提取物。双金属纳米粒子（BMNPs）和多金属纳米粒子（MMNPs）由于两种或多种元素的影响，比单金属对应物具有更强的治疗潜力，例如在抗癌治疗中通过被动或主动靶向机制提高疗效并减少副作用。纳米技术还通过其大表面积和与细菌的更多接触改善了抗菌和细胞相容性应用。金属纳米粒子在癌症治疗领域的综述文章数量自1997年至2026年显著增加，显示了该方法的巨大潜力。
2. 金属纳米粒子的分类
金属纳米粒子根据所含金属元素数量分为单金属纳米粒子（MNPs）、双金属纳米粒子（BMNPs）、三金属纳米粒子或多金属纳米粒子（MMNPs）。
a. 单金属纳米粒子（MNPs）：由单一金属组成，具有独特的物理化学性质，如Ag、Al、Zn、Cu、Ti等，以及金属硫化物和金属有机框架（MOF）纳米材料。MNPs广泛用于植物生长、营养输送和环境防护。
b. 双金属纳米粒子（BMNPs）：由两种不同金属原子结合形成，可调控为合金、核壳和纳米粒子集合等多种拓扑结构。通过选择适当的前驱体，可生成所需的形状、尺寸和构型。
c. 多金属纳米粒子（MMNPs）：由三种金属组合而成，可减少金属消耗并增加原子有序度。MMNPs可归类为合金或金属间纳米粒子，具有比MNPs和BMNPs更独特的物理化学性质，源于组分金属的协同或多功能作用。
3. 纳米粒子的结构与表征
3.1 MNPs的结构与表征：功能化MNPs的基本性质由胶体稳定性、形状和直径决定，需通过多种表征方法确保质量，包括紫外-可见光谱（UV-VIS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、动态光散射（DLS）、透射电子显微镜（TEM）、热重分析（TGA）、X射线光电子能谱（XPS）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）。
3.2 BMNPs的结构与表征：BMNPs有助于调谐表面等离子体共振（SPR）带，提高稳定性和分布，并调控磁学和光学特性。其结构可分为混合结构（随机合金或有序金属间）和分离结构（亚簇或核壳）。贵金属与过渡金属的组合可降低成本并提高性能。BMNPs通过电子效应、晶格应变、双功能和带效应表现出协同作用，优于单金属对应物。
3.3 MMNPs的结构与表征：MMNPs的性质由原子结构、厚度、组成、形状、表面形貌、核壳稳定性及合金无序度决定。其大表面积显著影响元素特性和抗菌能力。MMNPs的催化活性高于MNPs和BMNPs，但可能存在相分离、团聚等问题。通过碳热冲击等方法可改善总物理化学反应活性。MMNPs的光学特性受尺寸、形状及金属组成影响，SPR在混合可见光活性金属时增强，在紫外活性金属时减弱。磁学特性受粒度、形态、化学结构等因素影响，铁基MMNPs因生物相容性而广泛用于磁共振成像（MRI）和药物递送。
4. BMNPs和MMNPs的性质
这些金属纳米粒子通过化学、物理和微生物方法制备，绿色合成使用植物提取物或微生物作为还原剂、稳定剂和封端剂。UV-Vis光谱用于识别SPR峰，FTIR分析表面化学组成，XRD确定晶态和晶胞尺寸，SEM研究表面形貌，TEM评估结构、尺寸和分散性，能量色散X射线（EDX）用于化学组成分析。BMNPs和MMNPs的形貌包括球形、伪球形、板状、多边形、六边形等，结构从核壳到合金不等。合金框架通过均匀分布两种元素形成，核壳框架通过将活性金属壳置于另一种金属核心上形成。BMNPs相较于MNPs增强了框架的催化能力，如Pd-Ni、Pt-Ag和Pd-Au纳米线（NWs）中的电子转移。多种金属的存在产生机械、电学、功能和形态变化的协同效应，赋予可控的光学、电学、等离子体、热学和磁学特征。
5. NPs的毒性效应
由于NPs独特的物理化学特性和小尺寸，其对人类和环境的潜在危害受到关注。毒性取决于组成和表面官能团。体外测试正在评估多种NPs与活细胞的相互作用，但NPs进入细胞、肌肉穿透及代谢和免疫反应等关键问题常被忽视。不同物种对NPs的反应不同，且NPs的数量、溶解度、化学添加和合成方法等因素影响毒性结果。NPs的尺寸、形状、溶解度和化学性质决定其迁移到人体组织的能力，小尺寸可导致其穿过组织并沉积在大脑中。表面化学（电荷、粗糙度、疏水性/亲水性）也影响损伤。研究表明，纳米毒性高度剂量依赖，在低于50 μg/mL时具有良好生物相容性，高于100 μg/mL时可能引起细胞毒性。
6. NPs的生物活性
NPs的生物活性涉及抗癌、抗菌、抗氧化和再生研究。肿瘤是全球主要死因，传统治疗（手术、化疗、放疗）存在副作用。纳米药物递送框架在体外和体内实验中提高了治疗功效，并减少了副作用。多种纳米材料（碳纳米材料、金属氧化物纳米材料、聚合物纳米材料、脂质基纳米材料、二氧化硅基纳米材料、量子点和磁性纳米材料）用于医学治疗，如磁辅助成像、光热和光声成像、药物递送等。NPs通过产生活性氧（ROF）损伤生物部分并导致细胞死亡。MNPs通过染色体畸变、DNA断裂、凋亡和坏死等机制影响癌细胞。细胞毒性可通过MTT试验（4,5-二甲基噻唑-2-基-2,5-二苯基四唑溴化物）、磺酰罗丹明B（SRB）试验和克隆形成试验等体外方法评估。研究表明MNPs通过诱导严重的ROS产生、线粒体功能障碍、caspase（特别是caspase-3和-9）激活和DNA损伤来发挥抗癌功效。
7. 结论
从MNPs到BMNPs和MMNPs的结构转变产生了由机械、电学和形态变化驱动的强协同效应。这种协同作用释放了高度可控的光学、磁和催化能力，使得能用低成本过渡金属（如Fe、Cu）替代昂贵的贵金属而不牺牲性能。在单金属中严格受尺寸和形状限制的SPR，在多金属系统中演变为显示结构排列（如混合合金或核壳拓扑）的重要内部诊断蓝图。向绿色合成的BMNPs和MMNPs的转变代表了纳米医学的一个重要里程碑，通过结合环境可持续性和增强的协同治疗特性，为靶向生物医学应用提供了高度适应性的平台。
