综述：金属及金属氧化物纳米材料：毒性机制、缓解策略与新型评估方法

《Nano-Structures & Nano-Objects》：Metal and metal oxides nanomaterials: Toxicity mechanisms, mitigation strategies, and novel assessment methods

　　摘要
金属及金属氧化物纳米粒子因其独特的物理化学性质，在包括生物医学在内的众多领域需求日益增长。然而，接触这类纳米粒子及其大规模合成会因它们的毒性及对细胞功能的干扰而给人类健康带来风险。因此，深入理解其毒性的成因与机制对于保障生物医学与环境安全至关重要。本文综述了金属及金属氧化物纳米粒子的物理化学特性与其毒性机制之间的关系，探讨了通过聚合物偶联、无机二氧化硅包覆以及刺激响应型或线粒体靶向策略等手段来降低毒性的方法。尽管这些方法能够通过保护活性表面有效降低毒性，但也会带来组织滞留、过早泄漏以及合成流程复杂化等弊端。此外，我们还介绍了用于评估毒性的最新方法，如微流控装置、xCELLigence阻抗技术以及计算机模拟，以克服传统毒性测试易受人为因素影响的缺陷。最后，本文展望了未来发展方向，强调应转向基于机器学习的预测性“设计即安全”框架，通过晶体结构预筛选、绿色合成、仿生涂层以及自毁型纳米载体等技术，结合多器官芯片与人工智能辅助的毒性建模，开发出更具安全性的新一代纳米材料，用于生物医学领域。

引言
近几十年来，纳米技术已成为各科学领域技术进步的重要推动力。在催化、太阳能电池、气体传感器、能源生成与存储等领域，纳米技术的应用前景不断拓展[1]。有趣的是，纳米技术还涵盖了生物医学工程领域的诸多基础学科，如生物学、生物物理学、药剂学、医学成像、药物递送、诊断学等[2][3][4]。通常，纳米技术融合生物学、化学和物理学方法，制造出具有更高功能性的纳米级颗粒——即纳米粒子，从而实现对其的生产、表征和精准控制，为其在各类高端应用中的使用奠定基础。由于纳米尺寸的特殊性，纳米粒子具备独特的物理、化学和生物特性，与其块体形态的物质有显著差异[5]。尤其在生物医学领域，纳米粒子展现出优异的穿透上皮细胞和炎症细胞的能力，从而提升治疗效果并增强药物稳定性[6]。同时，它们还能针对特定靶点，如炎症组织和癌细胞，表现出良好的选择性[7][8]。

纳米粒子可包含无机化合物（金属、金属氧化物和陶瓷）、有机物质（聚合物和脂质复合物）以及碳。以金属为基础的纳米粒子，尤其是金属及金属氧化物纳米粒子，是极具潜力的功能性材料，已被广泛应用于多种先进治疗领域以及光学、电子学、催化等领域。其中，金属及金属氧化物纳米粒子因其特殊性质，成为生物医学应用中的重要候选材料[9][10]。它们具有抗菌、抗癌和抗炎作用[11][12][13]。目前，这类纳米粒子的设计力求使其具备生物相容性、多功能性，并能与药物、配体及抗体良好结合，进一步发挥其生物医学价值。为此，纳米粒子的尺寸应与生物分子相近——例如蛋白质大小约为1–20纳米，病毒约20纳米，脱氧核糖核酸直径为2纳米，细胞膜厚度则在6至10纳米之间。金属纳米粒子恰好满足这一条件，因此能够与生物分子相互作用并融入药物系统，从而提升治疗效果。尽管具有诸多优势，但金属及金属氧化物纳米粒子所带来的潜在健康风险仍令人担忧。有研究指出，长期或无意中暴露于不同浓度的此类纳米粒子，会在生理环境中导致生物相容性下降和细胞毒性，进而对人体健康造成多种危害[14]。事实上，纳米级的尺寸和巨大的表面积容易产生活性氧，而这些活性氧正是导致毒性的关键因素。过量的活性氧会引发细胞内核酸、脂质和蛋白质等结构成分的氧化损伤，进而加剧多种疾病的发展。例如，银纳米粒子可通过诱导细胞过量产生活性氧，损害线粒体和溶酶体，从而改变内皮细胞的功能[15]。金纳米棒则会导致炎症反应和中性粒细胞浸润，这与自由基的产生和积累有关[16]。铜氧化物纳米粒子则会在肝脏中积累，因过度产生活性氧而引发氧化应激，最终导致细胞凋亡[17]。二氧化钛纳米粒子也被发现会损伤结肠细胞[18]。鉴于这些副作用，迫切需要加强纳米毒理学研究，为开发毒性更低的医疗产品提供坚实依据。

已有大量研究全面阐述了金属及金属氧化物纳米粒子的纳米毒理学特性，主要聚焦于器官特异性毒性分类、氧化应激的分子途径以及环境中的生物积累问题[19][20][21]。然而，在评估用于减轻这些不良生物效应的工程化方案以及用于检测相关毒性的先进仪器方面，仍存在明显不足。鉴于这些缺陷使得金属及金属氧化物纳米粒子的毒性评估变得复杂，本文对金、银、铜、铜氧化物、二氧化钛和氧化锌等常见类型的纳米粒子进行了系统性评估，旨在简化其在生物系统中的毒性评价过程。首先，我们介绍了金属及金属氧化物纳米粒子的基本性质及其实际应用，重点强调了其在生物医学领域的贡献。接着，通过分析可能的毒性机制、相关关键因素以及对人体健康的潜在影响，探讨了这类纳米粒子的毒性问题。我们并未仅从传统角度审视金属及金属氧化物纳米粒子，而是对比分析了近年来发展出的各种先进缓解策略，涵盖表面改性、尺寸控制、pH响应系统以及线粒体靶向技术等。此外，我们还研究了微流控装置、实时xCELLigence技术以及计算机模拟等先进的毒性评估方法。

本文所引用的参考文献是通过在Google Scholar、PubMed和Scopus数据库中搜索与金属及金属氧化物纳米粒子及其细胞毒性相关的关键词而获得的，以确保结果的透明性和可靠性。在筛选过程中，我们依据特定的标准挑选了相关研究，优先考虑那些提供了详细物理化学表征数据以及明确毒性缓解途径的体外和体内研究。在整个检索和评审过程中，我们仅选取经过同行评审的原创论文，排除了重复研究、会议摘要以及非英文文献。

章节节选
金属及金属氧化物纳米粒子：合成、性质与应用
在众多类型的纳米粒子中，金属及金属氧化物纳米粒子因其高度的通用性，被广泛视为可用于纳米电子学、生物医学以及环境保护等领域的理想材料。一般来说，金属及金属氧化物纳米粒子（如铜、金、银、氧化锌、二氧化钛、铜氧化物等）属于尺寸小于100纳米的纳米级金属颗粒。如图1A所示，当物质从块体状态转变为纳米尺度时，其化学、物理和生物活性都会发生改变。除尺寸小之外，金属及金属氧化物纳米粒子的形态也对其功能有着重要影响。

暴露途径与目标器官的毒性
随着金属及金属氧化物纳米粒子在药品、食品、化妆品中的应用不断增加，加之在工作场所意外通过吸入或皮肤吸收的方式进入人体，人们接触这类物质的机会也在增多。图中展示了纳米粒子不同的暴露途径及其通过不同路径在器官中的分布情况。根据其物理化学性质，纳米粒子能够穿过细胞膜，进入血液或淋巴系统，并在某些器官中积累，从而引发相应的毒性反应。

体外与体内金属及金属氧化物纳米粒子毒性研究的差距
通常，纳米粒子暴露所造成的潜在危害是通过体外或体内实验来评估的。由于成本低、检测速度快且伦理限制较少，体外实验被广泛用于初步评估纳米粒子的毒性，有助于快速判断其急性毒性并分析特定的细胞机制。这类研究通常结合物理化学表征等方法进行。

缓解策略概述
纳米粒子，尤其是金属及金属氧化物纳米粒子，具有双重特性：既能用于治疗生物医学疾病，又能助力早期诊断。但如果不能妥善控制其界面反应性，它们也可能带来严重的健康危害。因此，在将这类材料应用于靶向药物递送等敏感的生物医学领域之前，进行早期的风险评估并采用“设计即安全”的生产理念显得尤为重要。

金属及金属氧化物纳米粒子毒性评估的新方法
通过文献调研，我们发现，使用传统方法评估纳米粒子的毒性往往会出现结果不一致、因研究而异甚至相互矛盾的情况。因此，迫切需要采用更为精确和具体的技术来评估纳米粒子的安全性。尽管目前已有多种传统的体内和静态体外评估方法，但本文重点介绍了三种最具前景和创新性的方法。

金属及金属氧化物纳米粒子的监管框架与安全指南
与块体形态相比，金属及金属氧化物纳米粒子具有独特的物理化学性质，因此基于化学质量浓度的传统风险评估方法并不适用[213]。为此，各国监管机构制定了严格的多标准安全规范。欧洲化学品管理局发布的新的REACH法规要求对每种纳米材料进行精准分类，必须明确评估其颗粒尺寸。

未来发展方向
金属及金属氧化物纳米粒子在临床应用中的推广，需要从试错式的化学合成方法转向“设计即安全”的预测框架。未来的研究应致力于开发多功能且可规模化的系统，用稳定的共价键替代较弱的非共价结合，采用绿色合成技术，并设计可生物降解的涂层，以避免出现非靶向毒性。相关制剂还应包含仿生表面修饰、刺激响应型添加剂（如针对肿瘤细胞外环境pH值约为6.5的条件设计的添加剂）等。

结论
本文系统研究了金属及金属氧化物纳米粒子的物理化学性质、生物医学应用以及毒性机制。虽然纳米化技术带来了巨大的治疗优势，但也显著增加了其比表面积，从而加速了不必要的细胞反应并引发局部氧化应激。我们的分析表明，尺寸、形态、浓度、聚集状态、表面反应性、溶解度以及晶体结构是影响其毒性的关键因素。

作者贡献声明
Yassine Slimani：撰写与编辑、原始稿件撰写、可视化处理、方法学设计、正式分析、概念构建。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

Yassine Slimani
沙特阿拉伯伊玛目阿卜杜勒-拉赫曼·本·费萨尔大学研究与医学咨询研究所生物物理学系，邮政信箱1982，达曼31441。