综述：可持续纳米生物技术：植物介导的金属纳米颗粒在抗菌创新中的应用

《Next Nanotechnology》：Sustainable nanobiotechnology: Plant-mediated metallic nanoparticles for antimicrobial innovations

　　

抗菌耐药（AMR）是一个日益严重的全球健康威胁，增加了疾病负担、死亡率和医疗成本。随着新型抗生素日益匮乏和多药耐药（MDR）细菌的增加，迫切需要替代策略。金属和金属氧化物纳米颗粒（NPs）因其独特的性质、广谱活性和较低的耐药性发展潜力而成为极具前景的抗菌剂。绿色合成利用生物资源，包括植物提取物、微生物和生物活性代谢物，作为传统化学和物理合成方法的可持续、经济高效且环保的替代方案。植物基合成因其简单性、可扩展性以及在温和条件下生产稳定、生物相容性NPs的能力而特别具有吸引力。然而，仍存在若干挑战，包括生物前体的不可预测行为、对NP尺寸和形状的控制有限、稳定性问题以及大规模生产的困难，这些都阻碍了更广泛的工业和临床采用。本综述重点介绍了绿色NP合成的最新进展，批判性地审视了其抗菌机制和生物医学应用，并指出了当前的局限性和未来的研究方向。为实现绿色合成纳米颗粒的全部潜力，需要标准化的方案和优化的反应参数。

1. 1.
   Introduction
   抗菌耐药（AMR）导致发病率、死亡率和医疗成本上升，每年在全球造成约70万人死亡，预计到2050年这一数字可能增至每年1000万。世界卫生组织（WHO）在2014年将AMR列为全球十大健康问题之一，近十年后这一问题依然存在。开发新抗生素的失败在医疗保健中引发担忧，特别是在对抗AMR方面。传统抗生素治疗面临局限性，如耐药性发展、微生物修饰、不良反应、毒性和生态后果，因此迫切需要寻找替代的抗菌治疗方式。纳米技术是21世纪的科学突破，涉及生产、控制和利用直径低于100 nm的材料。纳米颗粒（NPs）因其固有的尺寸依赖理化特性而受到广泛关注，其多功能性使其在环境管理、农业、食品技术、生物技术、生物医学和药物科学等领域得到应用。金属纳米颗粒（MNPs）是一种新型纳米材料，因其尺寸依赖行为和相应特性而成为靶向、持续和可控药物递送的有效替代品。此外，金属NPs因其较低诱导耐药性的倾向而被提议作为抗菌药物的替代品，并被高度认可为有效的药物转运体。金属NPs主要通过化学还原、微乳液和热分解等方法制备，其稳定化通过将NPs浸入惰性环境或加入表面保护剂实现。与传统块体材料相比，这些NPs表现出截然不同的理化性质，主要归因于量子限制效应和高表面积体积比。已成功合成多种形式的MNPs，主要包括银（Ag）、金（Au）、铜（Cu）、钯（Pd）和铂（Pt）。许多药用和芳香植物的不同部位富含天然化合物，具有抗菌、抗真菌、抗癌、抗氧化和抗微生物特性，其提取物及生物活性化合物（如生物碱、皂苷、酚类化合物和黄酮类）可作为广谱抗微生物剂。关键的纳米抗菌剂包括Ag、Au、Cu、铁、二氧化钛和氧化锌，但金属氧化物NPs被认为具有强抗菌活性，可对抗革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌和病毒。MNPs的作用机制包括破坏细胞壁导致内容物泄漏、产生活性氧（ROS）引起氧化应激、与内部细胞成分相互作用导致DNA和蛋白质降解以及抑制酶作用。传统合成方法能耗高且使用有毒试剂，促使研究人员转向绿色合成。绿色合成方法简单、低成本且不使用有毒化学品，通常在室温至60°C下进行，减少能源消耗和环境污染。植物提取物中的代谢物（如萜类、生物碱、碳水化合物和蛋白质）在金属离子生物还原中起关键作用，其多羟基官能团赋予抗氧化特性。植物介导的合成通常涉及三个基本过程，具有成本效益、可扩展性和无危险副产物等优点，是可持续的选择。尽管绿色合成具有诸多优势，但在原材料选择、反应条件优化、产品质量和应用适宜性方面仍面临限制，阻碍了其大规模生产和部署。
2. 2.
   Methodology
   2.1. Search strategy
   本叙述性综述遵循系统的检索方法，检索了四个电子数据库：PubMed、Scopus、Web of Science和Google Scholar。检索词结合了纳米颗粒、绿色合成和抗菌作用的相关术语，包括“green synthesis”OR“biosynthesized”AND“metal nanoparticles”OR“silver nanoparticles”“gold nanoparticles”OR“copper nanoparticles”OR“metal oxide nanoparticles,”AND“antimicrobial”OR“antibacterial”OR“antifungal”。检索应用于标题、摘要和关键词字段，限定为绿色合成金属NPs且具有抗菌结果的研究。综述限于2011年1月至2026年4月期间发表的英文同行评审期刊文章、系统综述、书籍章节和临床试验报告。
   2.2. Inclusion & exclusion criteria
   纳入标准包括：关注绿色合成或生物合成金属NPs的文章；报告抗菌活性（包括抗菌、抗真菌或广谱抗微生物效应）的研究；原创研究文章、体外研究、体内研究或实验研究；使用植物提取物、细菌、真菌、藻类或其他生物材料作为还原/封端剂的研究；报告纳米颗粒表征和抗菌测定结果的研究。排除标准包括：不涉及绿色合成或不以金属NPs为中心的研究；无抗菌结果的文章；仅涉及物理或化学合成方法的研究；非同行评审出版物。
3. 3.
   Novelty and differentiation from existing reviews
   本综述区别于现有综述的显著特点包括：广泛的抗微生物焦点，缩小应用主题以增强清晰度；广泛涵盖植物来源的金属NPs，强调新兴平台和合成环境的理化性质；完整的方法学透明度，详细描述检索语法、数据库、关键词、纳入/排除标准和时间范围；提供详细的比较表格，比较绿色与传统合成、金属种类、植物提取物、尺寸范围和微生物应用；包含毒性评估、工业可扩展性、标准化和未来研究优先事项等内容。
4. 4.
   Green approach for MNP synthesis
   植物物种是生物活性分子（如植物化学物质、多酚、黄酮类、萜类、生物碱、皂苷、多糖和蛋白质）的独特来源，这些分子在绿色合成中用作还原、封端和稳定剂。植物不同部位（根、种子、花、叶、果皮、果实和茎皮）已被探索用于NPs生产。植物提取物用于还原和稳定无机NPs，为开发环境友好型合成策略提供了巨大机会。已使用植物提取物成功制备了多种NPs，包括金、银、二氧化钛、锌、铜、铂、锆、铁、硒等，显示出广泛的生物活性。植物提取物作为稳定和还原剂的组合具有成本效益、可扩展性且无有毒副产物，使植物介导的合成成为合法有效的替代方案。
5. 5.
   Principles of green synthesis
   植物衍生代谢物（如萜类、生物碱、糖和蛋白质）在生物介导的金属离子消耗中起重要作用，导致MNPs合成。次级代谢物的多羟基基团赋予抗氧化特性，同时抑制NPs的不可控聚集。植物提取物生产MNPs主要分为三个阶段：植物成分作为还原剂将金属前体还原为金属离子；还原的金属离子与氧分子结合形成金属氧化物离子，通过静电吸引结合成新生颗粒；植物化学物质稳定新生NPs以防止进一步聚集。金属NP生产的促进途径可分为四个步骤：初始阶段（生物系统与金属盐前体混合物）；激活阶段（金属离子化学还原形成成核中心）；生长阶段（较小NPs合并成较大结构，涉及异相成核、逐渐增大和奥斯特瓦尔德熟化）；终止阶段（NPs采取能量最有利的形态，化学物质同时稳定NPs）。
6. 6.
   Impact of process variables on eco-friendly nanomaterial synthesis
   6.1. pH
   pH是影响NPs生产的重要参数。酸性条件倾向于产生较大的NPs，因为低pH下颗粒更容易聚集。pH 7时NPs形成加速，可能与植物提取物中酚基电离有关。碱性pH有利于较小NPs的形成，粒径随pH升高而减小，在pH 6至11范围内可检测到稳定的精细结构NPs。
   6.2. Temperature
   温度显著影响还原反应速率、成核动力学和封端剂与NP表面的相互作用。温度升高增强成核中心形成，促进NPs生产。较高温度导致更快的离子还原和均匀核形成，产生较小的NPs。例如，金NPs合成中，温度升高引起表面等离子体共振峰蓝移，表明粒径减小；银NPs合成中，温度升高同样导致粒径减小和均匀球形形成。
   6.3. Reaction time
   反应时间影响NPs的质量和尺寸。较长的反应时间通常导致粒径增大，较短时间则减小。研究表明，银NPs的生物合成在5小时达到峰值，粒径均匀；金NPs合成中，最佳孵育时间为45分钟，超过后粒径变大且多分散指数增加。
   6.4. Solvents
   溶剂选择影响NPs的理化参数、产率、纯度和生物性能。乙醇提取物更适合银NPs，水提取物更适合铜NPs。混合溶剂可增强合成，甲醇-水二元溶剂比单一溶剂更有利于银NP形成。溶剂影响提取物组成、粒径、结晶度、稳定性和生物或催化性能。
   6.5. Nature of plant extracts
   植物提取物的化学性质（多酚、黄酮类和萜类含量）决定其还原能力。提取物浓度影响NPs的几何形状和尺寸：低浓度可能产生三角形大颗粒，高浓度产生球形颗粒。增加还原剂浓度通常增强颗粒形成，但过高浓度可能导致更大NPs。
7. 7.
   Plant-mediated MNP synthesis and applications
   7.1. Silver NPs
   银NPs（AgNPs）通常包含20至15000个银原子，直径不超过100 nm，具有高表面积体积比，在低浓度下表现出强抗菌性。绿色合成使用植物提取物还原Ag?离子，AgNPs对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等病原体的抑制作用与释放Ag?离子、ROS形成、细胞膜破坏和DNA降解有关。生物源AgNPs比化学合成AgNPs具有更强的抗菌活性和更低的MIC/MBC值。不同植物提取物合成的AgNPs在50 mg/mL浓度下表现出最高抗菌效力，且对革兰氏阴性菌的效果优于革兰氏阳性菌。
   7.2. Gold NPs
   金NPs（AuNPs）在生物医学工程中广泛应用。植物提取物合成的AuNPs对多重耐药菌株具有显著抗菌活性，优化修饰的AuNPs表现出最大抑制区。AuNPs对革兰氏阴性菌更有效，归因于其薄细胞壁更易被穿透。抗菌机制包括离子释放、膜电位破坏、ATP合酶抑制和核糖体tRNA结合干扰。此外，AuNPs对某些真菌也具有浓度依赖性毒性。
   7.3. Copper NPs
   铜NPs（CuNPs）具有机械、光学、电学、催化和抗菌特性。植物源CuNPs对大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌等有显著抑制作用，对某些镰刀菌属真菌也有效。研究显示，薄荷和猕猴桃皮废提取物衍生的CuNPs可降低MexA基因表达，对抗多药耐药铜绿假单胞菌。CuNPs的MIC值在250至500 μg/mL之间。
   7.4. Zinc NP
   锌NPs（ZnNPs）无毒、生物相容且环境友好。ZnO NPs通过附着细菌膜、干扰呼吸和产生活性氧发挥作用。纳米级ZnO比微米级具有更强抗菌活性。猕猴桃皮合成的ZnO NPs在128 mg/mL浓度下对金黄色葡萄球菌产生27 mm抑制区。藻类提取物合成的ZnO NPs对革兰氏阳性菌尤其有效。
   7.5. Platinum NPs
   铂NPs（Pt-NPs）可由多种植物提取物合成，平均直径1-13 nm。At-PtNPs对革兰氏阴性菌（如大肠杆菌和肺炎克雷伯菌）有强抗菌活性，但对革兰氏阳性菌无效。抗菌机制主要涉及ROS产生、氧化应激和DNA损伤。Pt-Ag双金属NPs表现出协同抗菌效果，对革兰氏阴性菌抑制区大于抗生素阿奇霉素。
   7.6. Zirconium NPs
   锆NPs（Zr-NPs）可通过植物提取物绿色合成。ZrO?-NPs对革兰氏阳性和阴性菌均表现出剂量依赖性抗菌活性，在60 μg浓度下对大肠杆菌抑制区达20.67 mm。其正电荷增强与细菌细胞壁负电荷成分的静电作用，促进生物吸附和细胞内渗透，通过ROS导致细胞凋亡。
   7.7. Molybdenum NPs
   钼NPs（Mo-NPs）特别是MoO?，具有半导体特性。Solanum xanthocarpum提取物合成的Mo-NPs对MRSA、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌和粪肠球菌的抑制区分别为22、27、24和24 mm，显示出强效抗菌活性。
   7.8. Titanium dioxide NPs
   二氧化钛NPs（TiO?-NPs）化学稳定且毒性较低。Luffa acutangula叶提取物合成的TiO?-NPs尺寸在10-59 nm，对多种细菌和真菌有抑制作用，其最低抑菌浓度通过微量肉汤稀释法确定。石苹果和木苹果壳提取物合成的TiO?-NPs对真菌也表现出良好抑制效果。
8. 8.
   Potential toxicological impacts of MNPs
   金属NPs的毒性取决于其理化参数（化学组成、尺寸、形态和表面化学性质）。NPs可穿过细胞膜与蛋白质或细胞器相互作用，引起神经毒性、免疫毒性和遗传毒性。主要毒性机制是氧化应激和炎症反应，通过线粒体功能障碍和ROS生成实现。表面修饰和封装策略可降低毒性，设计更安全金属基颗粒需要深入理解其理化特性。
9. 9.
   Challenges
   绿色合成MNPs面临的挑战包括：生物前体的不可预测行为；对NP尺寸和形状控制有限；稳定性问题和长期保存困难；从实验室规模放大到工业生产时，热和质量传递限制导致不均匀分布；植物提取物的可获得性和变异性影响重现性。未来研究应优化反应参数以实现高产率、稳定性和最短反应时间。
10. 10.
    Future prospects
    未来趋势包括：识别新的绿色前体；优化合成途径以提高效率和可扩展性；设计多功能NPs用于专门应用。需要建立可扩展的标准化方法以确保工业水平的质量一致性；优化纯化方法以消除生物污染物；检查更广泛植物来源的化学成分；改进提取程序以增强生物活性分子产量。海洋植物和藻类生物材料尚未充分开发，基因工程生物合成NPs将成为可持续制造的首选。
11. 11.
    Conclusion
    大多数研究基于溶剂系统或植物提取物组成，其单个组分未充分表征，导致重现性差和可扩展性低。尽管金属NPs曾被认为毒性较高，但通过控制剂量、粒径和分布可大幅降低毒性。缺乏关键参数优化和合适溶剂选择仍是生物合成的陷阱。金属和金属氧化物NPs在生物医学应用中潜力巨大，但需系统研究实验因素以获得均匀可重复的NPs。当前文献主要集中在体外实验，体内 topical 应用、伤口愈合、生物分布和药代动力学研究有限。需要更多降解和稳定性研究以推动监管批准。本综述总结了绿色合成的基本原理，强调了最新进展，并指出了未来优化方向。