综述：植物介导纳米材料用于光防护：机制见解、当前进展与未来展望

《Nanomaterials》：Plant-Mediated Nanomaterials for Photoprotection: Mechanistic Insights, Current Advances, and Future Perspectives

　　

紫外线辐射是导致光老化、氧化应激、炎症、DNA损伤和光致癌的主要环境因素。传统紫外线过滤剂虽广泛用于防晒配方，但存在光不稳定性、光催化产生活性氧、潜在毒性及环境问题等局限性。近年来，植物介导纳米材料已成为具有前景的多功能光防护系统，兼具紫外线衰减、抗氧化、抗炎及生物适应性特性。植物提取物越来越多地被用作金属及金属氧化物纳米颗粒绿色合成中的还原剂和稳定剂。其中，ZnO和TiO₂作为已确立的无机紫外线过滤剂，而Ag和Au纳米颗粒主要因其抗氧化、抗炎、抗菌及活性氧调节特性而被研究，这些特性可能间接增强光防护效果。与此同时，植物来源有机纳米颗粒和草药纳米复合材料已展现出增强的生物相容性和多功能性能。本综述批判性地审视了植物介导光防护纳米材料的当前研究格局，重点关注光学紫外线衰减、活性氧（ROS）调节和细胞信号传导调控之间的机制性相互作用。特别强调了控制纳米颗粒尺寸、表面化学、带隙特性、抗氧化行为及生物相互作用的构效关系。本综述进一步讨论了转化挑战，包括可重复性、标准化、可扩展性、长期安全性、监管分类及基准测试的局限性。重要的是，当前证据表明，没有任何单一材料系统能同时优化紫外线阻挡效率、ROS控制、生物相容性和工业可扩展性，凸显了多功能混合设计策略的必要性。最后，讨论了涉及预测性纳米工程、计算建模、机器学习引导优化和适应性光防护系统的未来前景，作为下一代可持续光防护技术的新兴方向。

1. 引言

紫外线辐射是导致多种急性和慢性皮肤疾病的主要环境应激因素。过量暴露于UVA和UVB辐射会诱导氧化应激、炎症、红斑、DNA损伤、免疫抑制、细胞外基质降解和皮肤屏障功能障碍，最终导致皮肤过早老化（光老化）和光致癌。因此，有效的光防护不仅对降低皮肤癌风险至关重要，而且对维持皮肤完整性、预防过早老化和保持长期皮肤健康至关重要。慢性紫外线暴露通过ROS介导的NF-κB、AP-1和MAPK信号通路激活加速光老化，导致炎症、细胞外基质降解和皮肤屏障功能受损。

纳米技术通过增强稳定性、实现控制释放和改善局部生物利用度，解决了植物来源光防护化合物的关键局限性，包括水溶性差、光不稳定性、快速降解和皮肤滞留有限。许多植物化学物质，包括黄酮类、多酚类、类胡萝卜素和酚酸类，表现出有效的抗氧化和抗炎活性，有助于保护皮肤免受紫外线诱导的氧化应激、DNA损伤和炎症反应。然而，其实际应用常受限于水溶性差、光稳定性低和皮肤渗透有限。绿色纳米技术通过利用植物提取物作为纳米颗粒环境友好型合成的还原剂和稳定剂来解决这些局限性。重要的是，这些提取物中的植物化学物质，包括酚类、黄酮类、萜类化合物和蛋白质，不仅驱动纳米颗粒形成，而且经常作为封端剂保留在纳米颗粒表面。这些表面结合的植物化学物质通过清除紫外线诱导的活性氧、抑制炎症信号传导、改善胶体稳定性，并在某些系统中减少光催化ROS生成，直接促进光防护。因此，植物介导纳米材料的光防护性能来源于无机纳米颗粒核心（主要衰减紫外线辐射）和生物活性植物来源表面组分（减轻氧化和炎症损伤）的联合效应。

植物介导纳米颗粒已显示出通过增强光保护植物化学物质的稳定性、生物利用度和皮肤滞留来改善光防护的巨大潜力。这些改善源于纳米级载体增加了植物化学物质与皮肤表面的界面接触，保护生物活性化合物免受紫外线诱导的降解，并能实现持续释放，从而延长抗氧化和抗炎活性。然而，植物介导合成不应被解释为固有安全性的保证。纳米材料的生物行为取决于多种因素，包括颗粒组成、尺寸、表面化学、配方、剂量和暴露条件。因此，在广泛的美容或临床应用之前，全面的毒理学评估仍然必不可少。

重要的是，ZnO和TiO₂是已确立的直接无机紫外线过滤剂，而Ag和Au纳米颗粒主要通过间接抗氧化和抗炎机制发挥作用。在化妆品中，ZnO纳米结构通常作为无机过滤剂掺入防晒霜中，以衰减UVA和UVB辐射。Reinosa等人开发了一种由ZnO纳米颗粒锚定在TiO₂微粒上的分级复合材料，其紫外线吸收能力优于纯ZnO或TiO₂，初始SPF比单独TiO₂微粒高约18%。

为了对这一快速发展的领域提供结构化理解，植物介导光防护纳米材料可根据其主要机制和功能设计进行分类。包括：（i）无机紫外线阻挡纳米颗粒（如ZnO、TiO₂），主要通过光子吸收和散射发挥作用；（ii）基于植物化学物质的系统，通过抗氧化和ROS清除活性减轻紫外线诱导的损伤；（iii）整合无机和有机组分以实现协同光防护的混合纳米复合材料；（iv）用于保护剂控制或刺激响应释放的新兴智能纳米材料。在本综述中，我们提出一个统一的设计框架，其中光防护性能源于（i）光学紫外线衰减、（ii）活性氧的氧化还原调节和（iii）细胞信号通路调控之间的相互作用。该框架为下一代光防护纳米材料的合理设计提供了基础。

尽管进展迅速，该领域仍主要是描述性的，纳米颗粒物理化学、ROS行为和生物反应之间的整合有限。预测性构效关系的缺乏目前限制了植物介导光防护纳米材料的合理工程化和临床转化。大多数研究仍停留在描述性层面，侧重于合成和孤立的功能结果，而没有系统定义构效关系或解决紫外线衰减、活性氧生成和生物相容性之间的权衡。这限制了植物介导光防护纳米材料的合理设计和临床转化。在本综述中，术语“植物来源纳米材料”广义上指使用植物来源组分生产的纳米材料，包括植物介导无机纳米颗粒、植物来源有机纳米颗粒、草药纳米复合材料和植物化学物质负载纳米载体。尽管这些系统具有相同的植物来源，但它们在组成、合成方法和光防护机制方面有所不同。

为了提供逻辑框架，本综述围绕光防护性能的主要决定因素组织。我们首先讨论植物来源光防护化合物和植物介导纳米材料的主要类别，然后考察绿色纳米颗粒合成和混合生物纳米复合材料的进展。接着检查控制紫外线衰减、ROS调节和生物相互作用的物理化学因素，然后讨论安全性、转化挑战和未来前景。该结构将材料设计与生物功能和临床转化联系起来。

2. 材料与方法：文献检索策略

在Web of Science、Scopus和PubMed数据库中进行了结构化文献检索，以识别植物介导纳米材料用于光防护应用的研究。检索策略结合了关键词和布尔运算符，包括：“植物介导纳米颗粒”、“绿色合成”、“生物合成纳米颗粒”、“植物化学物质基纳米材料”、“生物纳米复合材料”、“紫外线防护”、“光防护”、“紫外线吸收”、“光老化”、“光致癌”和“活性氧”。

考虑了2005年至2025年间发表的研究，特别强调2018年以后的出版物，以捕捉纳米颗粒合成、光防护机制、安全性评估和转化应用的最新进展。纳入同行评审期刊发表的原创研究文章、系统综述和高质量综述论文。

根据与植物提取物或植物基生物材料衍生的光防护纳米材料的相关性选择研究。优先考虑报告机制见解、物理化学表征、ROS调节、紫外线阻挡性能、生物学评价或转化相关性的研究。排除非英语出版物、会议摘要、重复报告和缺乏足够方法学细节的研究。尽管本综述是叙述性的而非系统性的，但仍努力批判性评估现有证据的一致性、机制深度和转化意义。

3. 结果

3.1. 草药产品

天然植物化学物质长期以来一直引起光防护护肤应用的关注，因为许多植物来源化合物具有抗氧化、抗炎和紫外线吸收特性。多酚、黄酮类、萜类、木质素和酚酸可以通过ROS清除和信号调节来减少氧化应激并减轻紫外线诱导的细胞损伤。槲皮素、芦丁、姜黄素、儿茶素和水飞蓟素等化合物已在实验模型中显示出对抗光老化、炎症和光致癌的保护作用。消费者对天然来源护肤品的需求日益增长，加速了将植物化学物质整合到纳米系统的兴趣。

与游离化合物相比，纳米级递送系统可以改善稳定性、生物利用度、皮肤滞留和持续抗氧化活性。然而，尽管生物活性前景广阔，但由于提取方法、植物化学组成、紫外线暴露条件和实验模型的变异性，研究间的直接比较仍然困难。因此，内在植物化学活性与纳米级配方相对贡献仍未完全理解。

为了清晰起见，本综述中使用的术语基于纳米材料的组成和合成策略。植物介导纳米颗粒是使用植物提取物作为还原剂和稳定剂通过绿色合成制备的无机纳米颗粒（如ZnO和TiO₂）。相比之下，植物来源有机纳米颗粒直接由植物来源材料（如木质素、纤维素或其他植物聚合物）制备。草药纳米复合材料包括将无机纳米颗粒与植物来源聚合物或植物化学物质结合的混合系统，而植物化学物质负载纳米载体封装植物生物活性化合物（如姜黄素或白藜芦醇）以改善其稳定性、生物利用度和光防护功效。这些定义在本综述中一致使用。虽然游离植物化学物质具有抗氧化和抗炎活性，但其有限的稳定性和生物利用度推动了基于纳米材料的递送系统的开发。因此，以下部分对植物来源光防护纳米材料的主要类别进行分类。

3.2. 用于光防护的植物来源纳米材料类别

基于这些定义，用于紫外线防护的植物来源纳米材料可根据其组成和合成方法大致分类。理解这些类别有助于阐明开发环保光防护系统的多样化策略。第一类包括植物介导无机纳米颗粒，其中植物提取物在金属或金属氧化物纳米颗粒的绿色合成过程中充当还原剂和稳定剂。在这种方法中，植物提取物不仅作为纳米颗粒合成中的还原剂和稳定剂，而且作为生物活性植物化学物质的来源，这些物质常常吸附在纳米颗粒表面。这些表面相关的黄酮类、酚类、萜类和蛋白质影响纳米颗粒表面化学，并通过抗氧化、ROS清除和抗炎活性直接促进光防护。因此，植物介导纳米颗粒的功能源于无机纳米颗粒核心和生物活性植物化学电晕。

另一类植物来源有机纳米颗粒，直接由植物基聚合物如木质素、纤维素和其他光聚合物制备。虽然这些材料具有内在抗氧化特性，但其光防护性能因组成变异性和研究间标准化有限而不一致。第三类包括草药纳米复合材料，将无机纳米颗粒与植物来源聚合物或植物化学物质结合以实现互补的光防护功能。混合纳米复合材料通常优于单组分系统，因为它们整合了互补机制，其中无机组分（如ZnO和TiO₂）提供有效的紫外线衰减，而富含植物化学物质的有机相提供抗氧化、抗炎和ROS清除活性，从而增强光防护性能和生物相容性。这种协同行为可能通过整合紫外线衰减和抗氧化防御的互补机制来增强光防护性能和生物相容性。在这些系统中，植物来源抗氧化剂如姜黄素、儿茶素和白藜芦醇被封装在纳米载体中，以增强其物理化学稳定性、生物利用度和持续光防护活性。

虽然这些类别展示了植物来源纳米材料的多功能性，但其比较性能仍不明确。很少有研究在可比条件下系统评估不同材料类型在紫外线阻挡效率、ROS调节和长期稳定性方面的差异。因此，该领域缺乏将组成和合成策略与光防护性能联系起来的清晰构效关系。因此，材料系统间的直接比较仍然困难，限制了转化光防护应用最佳设计参数的识别。

3.3. 基于植物纳米颗粒技术的进展与局限

利用植物提取物合成金属纳米颗粒的技术已显著进步。与此同时，植物纳米颗粒的生产和应用仍处于早期阶段。由于其高安全性和无毒性，植物纳米颗粒为药学科学的发展提供了一个有前景且不断增长的平台。例如，2017年的一项研究调查并证明了Acalypha indica纳米颗粒的抗菌和杀幼虫特性。此外，Subramani等人的研究展示了由芦荟叶制备的草药纳米颗粒的紫外线阻挡和抗菌特性。同样，Kumar的2018年研究表明，选定的红树林植物的所有草药纳米颗粒的紫外线吸收光谱在Avicennia marina、Rhizophora apiculata和Excoecaria agallocha中分别表现出223 nm至664 nm的吸收。尽管植物来源纳米颗粒显示出显著前景，但该领域仍处于早期阶段，标准化有限，机制评估不足，验证其在生理相关或体内模型中性能的研究相对较少。鉴于药用植物在医学和药学科学中的高效性，这些纳米颗粒具有推动这些领域纳米技术发展的强大潜力。因此，植物纳米颗粒可作为进一步研究的合适途径。

尽管有这些有前景的发现，植物来源纳米颗粒的发展仍受到若干挑战的限制。植物提取物组成的变异性可导致可重复性差和研究间纳米颗粒性质不一致。此外，大多数报告严重依赖体外试验，在生理相关或体内模型中的验证有限。这些局限性强调了标准化合成方案和更严格的生物学评估对实现临床转化的必要性。尽管已报道了许多植物来源纳米颗粒，但其性能因植物来源、提取方法和合成条件的不同而有显著差异。例如，来自富含多酚的提取物如绿茶或石榴的纳米颗粒通常表现出更强的抗氧化和ROS清除活性，而结构衍生的植物纳米颗粒（如木质素或纤维素基系统）往往提供更大的稳定性但相对较弱的生物活性。然而，大多数研究不标准化实验条件，使得直接比较困难。这种一致性缺乏限制了最佳设计参数的识别，并强调了跨材料系统系统基准测试的必要性。

3.4. 植物介导纳米颗粒合成

植物化学物质如多酚、黄酮类、萜类、生物碱、蛋白质和多糖促进纳米颗粒形成并调节成核、晶体生长和稳定化。虽然这些生物分子在金属纳米颗粒（如Ag和Au）合成过程中还原金属离子，但植物介导的ZnO纳米颗粒通过水解和缩合反应形成，植物化学物质主要充当封端和生长调节剂。所得纳米颗粒表面通常涂覆有未修饰的植物化学物质及其氧化产物，它们共同充当封端剂并调节晶体生长、胶体稳定性、表面化学和随后的生物相互作用。因此，植物化学电晕的组成影响纳米颗粒稳定性和生物功能，包括抗氧化、抗炎和ROS清除活性。基于植物纳米材料的性质和生物效应可通过调整合成参数如植物种类、提取物组成、前体浓度、温度、反应时间和表面功能化来定制。这些因素决定颗粒尺寸、形状、结晶度、表面电荷和植物化学负载，影响紫外线衰减、光催化活性、ROS产生和整体光防护性能。

在金属纳米颗粒合成过程中，许多植物化学物质不仅仅吸附在纳米颗粒表面，而是通过氧化发生化学转化，捐赠电子以还原金属离子。例如，多酚和黄酮类通常被氧化为醌或半醌衍生物，导致其羟基、羰基和共轭官能团发生变化。这些氧化产物与母体化合物在氧化还原活性、金属结合亲和力、抗氧化能力和表面相互作用方面不同。因此，植物介导纳米颗粒周围的植物化学电晕通常是天然和氧化生物分子的复杂混合物，它们共同影响纳米颗粒稳定性、表面化学、生物相互作用和光防护性能。相比之下，在金属氧化物纳米颗粒如ZnO的合成过程中，植物化学物质主要调节水解、成核、晶体生长和表面稳定化，与金属离子还原相关的直接氧化相对较少。

植物介导绿色合成提供了一种利用生物活性植物化学物质作为天然还原剂和稳定剂生产金属和金属氧化物纳米颗粒的环境友好型策略。使用微生物和植物产品的生物方法相比物理和化学方法具有若干优点，包括成本效益、环境友好性和可扩展性。天然生物源金属纳米颗粒可通过各种生物机制合成。一个主要类别是生物还原，其中微生物及其酶将金属离子还原为稳定的金属纳米结构。另一个类别是生物吸附，其中金属阳离子在水性介质中结合到生物体细胞壁上，形成稳定的纳米颗粒。使用细菌合成纳米颗粒具有若干优点，包括其丰富的可用性、对极端环境条件的适应性、快速繁殖以及易于培养和操作。然而，这种方法也有某些缺点，特别是与处理和使用细菌系统相关的潜在安全风险。

重要的是，植物介导合成不仅仅是传统纳米颗粒生产的环境友好替代方案；它从根本上改变了纳米颗粒的表面化学和生物行为。表面结合的植物化学物质不仅改善胶体稳定性，而且通过清除紫外线诱导的活性氧、减少炎症信号传导、限制光催化ROS形成和增强生物相容性，积极参与光防护。因此，植物来源表面层应被视为纳米材料的功能组分，而不仅仅是合成残留物。

Yoshihisa等人的研究强调了铂纳米颗粒（nano-Pt）对紫外线诱导皮肤损伤的保护作用。研究发现，紫外线暴露增加HaCaT角质形成细胞中的ROS产生，而nano-Pt处理显著降低ROS水平。此外，nano-Pt预处理显著抑制角质形成细胞中UVB和UVC诱导的细胞凋亡。体内实验进一步证明，在紫外线暴露前用nano-Pt凝胶处理的小鼠与未处理对照相比，表现出减少的UVB诱导炎症和降低的UVA诱导光过敏反应。总体而言，这些发现表明nano-Pt通过减少ROS产生和防止细胞凋亡来减轻紫外线诱导的皮肤损伤。

姜提取物可作为直径5至15 nm金属纳米颗粒的还原剂和稳定剂。影响纳米颗粒合成的因素包括提取物浓度、金属盐浓度、温度和pH。使用植物提取物如Polyalthia longifolia可生产尺寸和形态受控的纳米颗粒。纳米颗粒用于防晒乳液中的紫外线防护。

在另一项研究中，使用可见光光催化合成了多相晶体Zn-芦荟纳米结构，表现出从紫外线到可见光的活性，带隙为3.37 eV至2.5 eV。芦荟增强了材料的可见光光催化性能，使其在生物医学应用中具有前景，包括抗癌、抗菌和抗糖尿病作用，以及光降解。ZnO和TiO₂是低成本、环保、无毒的金属氧化物，用于防晒霜和涂层中的紫外线防护。它们吸收紫外线辐射并将其转化为无害的红外光，同时在可见光谱中保持高透明度。

含有生物活性植物化学物质的植物提取物在金属纳米颗粒（如Ag和Au）合成过程中充当还原剂，在金属氧化物纳米颗粒（如ZnO和TiO₂）合成过程中充当封端剂、稳定剂和生长调节剂。对于ZnO，纳米颗粒形成主要通过锌前体的水解和缩合发生，而植物化学物质调节成核、晶体生长和表面功能化。当与金属盐前体溶液混合时，这些化合物还原金属离子形成ZnO、Ag和Au等纳米颗粒，同时作为稳定封端剂吸附在纳米颗粒表面。这种绿色合成方法提供了一种可持续、成本效益高且环境友好的传统纳米颗粒生产方法替代方案。然而，植物提取物的化学复杂性和变异性对可重复性和机制理解构成重大挑战，因为负责纳米颗粒还原、稳定化和表面功能化的特定生物分子往往定义不清。此外，由于原材料的变异性和对反应条件的敏感性，放大仍然具有挑战性。通过标准化提取方案、植物化学分析、改进过程控制、严格的物理化学表征和质量控制框架来解决这些局限性，对于提高可重复性和实现从实验室规模合成到工业制造的转化至关重要。

3.5. 植物来源光防护纳米材料的设计规则

前述章节表明，光防护功效并非由单一材料特性决定，而是由光学行为、抗氧化能力和生物相互作用之间的相互作用决定。这些观察结果可整合为一系列指导下一代光防护纳米材料合理工程化的设计原则。有效光防护纳米材料的开发需要仔细平衡相互竞争的物理化学和生物参数。当前证据表明存在几个控制性能和安全性关键设计原则。

颗粒尺寸起关键作用：较小的纳米颗粒增强紫外线散射效率，但也增加皮肤渗透风险，最佳尺寸范围通常被认为约为50–150 nm。带隙工程同样重要，因为它决定紫外线吸收的光谱范围；例如，调节ZnO和TiO₂等材料对于靶向UVA与UVB防护至关重要。表面化学进一步调节功能，惰性涂层如二氧化硅或聚合物减少活性氧的产生，而植物化学封端赋予内在抗氧化特性。重要的是，ROS本身具有双重作用，既贡献有益的抗菌效果，又带来氧化应激风险，需要精确控制其产生和清除。

复合设计提供另一个关键优势，因为混合系统通常优于单组分材料；例如，木质素-ZnO纳米复合材料提供协同的紫外线阻挡和抗氧化效果。最后，必须仔细工程化生物界面以最小化不良反应，包括炎症和免疫激活，表面功能化在调节这些相互作用中起关键作用。总之，这些原则表明光防护性能不是由单一参数决定，而是源于光学性质、氧化还原行为和生物反应之间的复杂相互作用。

3.6. 生物纳米复合材料

混合生物纳米复合材料将无机纳米颗粒与植物来源聚合物或植物化学物质结合，以组合互补的光学、抗氧化和生物功能。在这些系统中，无机相主要通过光子吸收和散射提供宽带紫外线衰减，而有机相通过清除ROS、限制炎症信号传导和改善胶体稳定性来抑制氧化应激。

木质素具有内在的紫外线吸收特性，因为其芳香族酚醛网络吸收紫外线光子，而丰富的酚羟基捐赠氢原子以中和紫外线暴露期间产生的自由基。类似地，壳聚糖基纳米复合材料可增强胶体稳定性、成膜、控制释放行为和生物相容性。混合系统还可通过调节纳米颗粒界面的电子-空穴复合来减少过度的光催化ROS产生。

尽管有这些优势，跨不同生物纳米复合材料系统的系统基准测试仍然有限。大多数研究使用不同的合成条件、紫外线暴露模型、颗粒尺寸和生物测定，使得直接比较困难。因此，建立标准化评估方案对于识别最佳混合光防护系统至关重要。等离子体驱动的表面功能化方法已显示出对纳米-生物界面的精确控制，显著影响细胞相容性和炎症反应，这两者对于先进生物纳米复合材料的安全开发至关重要。该领域的进一步研究需要扩大这些可持续材料在各个领域的适用性。传统紫外线过滤剂与新兴植物来源纳米材料之间的关键差异总结于表1中。

总之，这些比较表明，目前没有单一材料系统能同时优化紫外线衰减、ROS调节、生物相容性、可扩展性和监管就绪性，突出了多功能混合设计策略的必要性。

3.7. 紫外线与纳米材料的相互作用

在纳米尺度上，光防护性能受颗粒尺寸、形态、结晶度、带隙能量和表面化学的强烈影响。较小的纳米颗粒通常由于其高表面积与体积比而表现出增加的紫外线散射和表面反应性。然而，过度的颗粒尺寸减小也可能增加光催化ROS产生，并引起对皮肤渗透和生物相互作用的担忧。因此，光防护功效和纳米安全性是内在相互关联的设计参数，而非独立考虑。纳米颗粒聚集也起重要作用，因为团聚降低了有效表面积，改变光散射行为，降低胶体稳定性，并可改变光催化活性和ROS产生。因此，控制颗粒分散对于实现可重复的紫外线衰减和生物性能至关重要。

紫外线辐射具有高能量和短波长，当与纳米尺度材料相互作用时可诱导独特的光物理和光化学效应。这些相互作用可导致增强的光学性质、改善的光催化活性和块体材料中未观察到的新功能。理解这些相互作用对于推进光伏、环境修复、生物医学设备和先进制造等领域的应用至关重要。纳米材料，特别是ZnO和二氧化钛纳米颗粒，由于其优异的阻挡或吸收紫外线辐射能力而常用于防晒霜中。这些纳米颗粒的尺寸通常在1至100纳米之间。由于尺寸小和表面积与体积比高，它们比大颗粒更有效地散射和吸收紫外线辐射。TiO₂纳米颗粒主要吸收UVB辐射，而ZnO纳米颗粒在UVA和UVB区域提供广谱防护。当紫外线光子能量超过ZnO或TiO₂的带隙时，电子从价带激发到导带，留下电子-空穴对。这些电荷载流子可能复合或与氧气和水反应产生ROS。周围微环境，包括pH、氧气可用性、聚集、抗氧化剂和表面涂层，调节这些反应，因此影响光防护功效和生物安全性。

对于植物介导纳米材料，光防护通过两种互补机制实现。无机纳米颗粒核心通过吸收和散射衰减紫外线辐射，而植物来源表面植物化学物质通过清除活性氧和调节炎症信号传导来减少紫外线诱导的氧化应激。此外，这些植物化学物质可能通过影响电荷载流子动力学、复合和表面氧化还原反应来抑制过度的光催化活性，从而改善光防护功效和生物安全性。

为了减轻潜在的光催化损伤，纳米颗粒通常涂覆惰性材料如二氧化硅或氧化铝。这些涂层有助于稳定颗粒，减少ROS产生，同时保持其紫外线阻挡特性。此外，据报道，纳米工程表面修饰显著影响ROS产生和随后的免疫细胞反应，突出了纳米尺度界面设计在改善功能纳米材料生物安全性中的关键作用。

先前的研究表明，遗传毒性效应中观察到的拮抗相互作用与ZnO纳米颗粒和紫外线暴露有关。有趣的是，这种相互作用在所有使用的生物标志物中均被注意到：彗星试验、微核形成和锚定非依赖性生长。这些效应似乎与联合处理毒性增加无关。这种纳米颗粒在化妆品和防晒霜中的使用引发了关于它们是否能穿透皮肤、进入血液并扩散到全身的争论。然而，根据目前的信息，通过局部暴露的潜在风险被认为非常低。金属在TiO₂上的沉积可通过促进金属-TiO₂界面的电荷载流子复合来降低光催化活性，证明组成和界面结构调节紫外线诱导的ROS产生。

除了直接的紫外线衰减，氧化应激的调节是光防护的核心机制。紫外线辐射诱导ROS，激活NF-κB、AP-1和MAPK等信号通路，导致氧化应激、炎症和细胞外基质降解。黄酮类和多酚等植物化学物质作为有效抗氧化剂，中和ROS并减轻紫外线诱导的细胞损伤。机制上，多酚和黄酮类通过羟基官能团捐赠电子以还原Ag⁺和Au³⁺离子，而蛋白质、多糖和萜类优先吸附到生长中的晶体表面以调节成核、晶体生长、聚集和表面化学。在ZnO合成过程中，锌前体的水解和缩合产生Zn(OH)₂中间体，随后脱水为ZnO，而植物化学物质主要调节晶体生长而非直接还原金属离子。植物来源纳米颗粒，包括铂纳米颗粒、人参来源外泌体样纳米颗粒和植物化学封端的ZnO纳米材料，已被证明在紫外线暴露的角质形成细胞和实验动物模型中减少ROS产生、抑制NF-κB/AP-1/MAPK信号传导、降低炎症细胞因子产生并抑制细胞凋亡。此外，许多植物来源化合物发挥抗炎作用。这些生物活性分子可抑制紫外线暴露后通常激活的NF-κB和MAPK等炎症信号通路。通过抑制这些通路，促炎细胞因子的产生减少，从而改善皮肤保护。

总之，这些相互关联的机制减少紫外线诱导的氧化应激、炎症、DNA损伤和细胞凋亡。重要的是，它们的相对贡献强烈依赖于纳米颗粒尺寸、组成、带隙性质和表面化学，强调了整合构效设计策略的必要性。通过限制氧化应激和炎症，植物来源纳米材料有助于防止皮肤细胞中紫外线诱导的DNA损伤和细胞凋亡。这种保护作用对于减少紫外线暴露的长期后果（包括光老化和光致癌）至关重要。对安全性的持续研究确保这些益处不会对人体健康或环境带来不当风险，为未来护肤品中更安全的防晒解决方案铺平道路。

代表性研究表明，植物介导纳米材料的生物活性强烈依赖于纳米颗粒组成和实验条件。铂纳米颗粒减少了HaCaT角质形成细胞中UVB和UVC诱导的ROS产生和细胞凋亡，并通过抑制氧化应激减轻了小鼠中紫外线诱导的皮肤炎症。类似地，人参来源外泌体样纳米颗粒通过限制ROS产生和抑制AP-1信号传导保护紫外线暴露的皮肤，而富含植物化学物质的ZnO纳米材料通过抗氧化活性减少氧化应激和炎症反应。总之，当前证据表明，NF-κB、AP-1、MAPK信号传导、细胞凋亡和炎症细胞因子产生的调节主要由ROS调节介导，而非直接靶向特定通路。然而，由于紫外线波长、辐射剂量、纳米颗粒特征和生物模型差异很大，研究间的比较仍然困难。

3.8. 光生物防护中纳米颗粒的实际实施

ZnO和TiO₂纳米颗粒被掺入防晒霜和化妆品中，因为它们能有效吸收和散射紫外线辐射，同时比大颗粒保持更高的透明度。ZnO提供广谱UVA和UVB防护，而TiO₂主要衰减UVB辐射。表面涂层通常用于改善分散性和减少光催化ROS产生。

商业上可获得的纳米颗粒光防护材料包括Eusolex? T-PURE和Eusolex? T-2000，含有表面处理的纳米TiO₂；Eusolex? T-AVO，一种二氧化硅涂覆的纳米TiO₂过滤剂；以及Eusolex? Z-TEC，含有纳米ZnO（Merck KGaA，Darmstadt，德国）。其他例子包括Croda的Solaveil? CT-300和Solaveil? CZ-300（Croda International Plc，Snaith，UK），分别基于TiO₂和ZnO的透明矿物紫外线过滤剂等级。这些品牌原材料被掺入防晒霜、护肤品和化妆品配方中，以提供紫外线衰减，同时减少通常与较大矿物颗粒相关的可见美白效应。产品可用性、颗粒规格和监管分类可能因司法管辖区和配方而异。

除了防晒霜，这些纳米颗粒还被掺入纺织品、透明聚合物涂层和保护膜中，以减少紫外线透射和材料降解。混合系统，包括木质素-ZnO和二氧化硅-ZnO复合材料，还可提供抗氧化、抗菌和自清洁性能。实际应用需要仔细控制纳米颗粒浓度、聚集、涂层稳定性和潜在的环境释放。

3.9. 安全性与毒理学

尽管植物介导纳米材料常被描述为生物相容性或环境友好型，但其长期生物安全性仍不完全清楚。安全性特征强烈依赖于纳米颗粒组成、尺寸、结晶度、聚集行为、表面化学、剂量、暴露持续时间和配方条件。此外，文献中报道的生物反应因所用实验模型的不同而有很大差异。大多数机制研究已在角质形成细胞系（如HaCaT）、成纤维细胞或重建皮肤模型中在UVA或UVB照射后进行，而相对较少的研究在动物模型中验证了这些发现。这种异质性限制了对信号通路和生物结果的直接比较。

主要关注之一涉及纳米颗粒通过受损或破坏的皮肤屏障的渗透。虽然大多数证据表明，在正常条件下，ZnO和TiO₂纳米颗粒大部分保留在角质层内，但渗透行为可能因颗粒尺寸、涂层化学、聚集状态、紫外线暴露和皮肤完整性而异。慢性暴露条件仍未被充分表征。

另一个主要关注点涉及光催化ROS产生。ROS产生由晶相、表面缺陷、氧空位、颗粒尺寸和电子-空穴复合动力学控制。表面涂层如二氧化硅、氧化铝、聚合物或植物化学封端减少电荷载流子向氧气和水的转移，从而限制光催化ROS产生，而不会显著衰减紫外线。

ROS的生物效应是剂量依赖性的。低或瞬态ROS水平可能对抗菌活性有益，而过量或长期的ROS产生可损伤健康细胞并促进氧化应激。因此，安全性评估应考虑ROS产生的量级和持续时间。

环境积累和生态毒理学效应也是新兴挑战。从防晒配方中释放的纳米颗粒可能与水生生态系统和生物体相互作用，引发对环境持久性和生物累积的担忧。因此，在广泛的临床和商业实施之前，全面的体外、体内和环境安全性评估至关重要。重要的是，“绿色”一词不应被解释为固有非毒性。植物介导合成可能减少生产过程中危险化学品的暴露，但所得纳米材料仍需要使用标准化生物模型和长期暴露研究进行严格的毒理学评估。尽管植物介导合成减少了纳米颗粒生产中有害化学品的使用，但所得纳米材料仍可能根据其组成、尺寸、表面化学、剂量和暴露条件诱导不良生物反应。因此，每种材料都需要全面的安全性评估，而不是因为其绿色合成途径而被假定为生物相容。

3.10. 环境毒性与生物分布

ZnO和TiO₂纳米颗粒的环境效应随浓度、颗粒尺寸、聚集、暴露持续时间、生物模型和土壤性质而有很大差异。在农业土壤中，21 nm TiO₂纳米颗粒以1或500 mg kg^-1施用，90天后硝化活性降低约40%。氨氧化古菌丰度分别下降53%和60%，表明即使在环境相关浓度下，长期暴露也可能产生显著影响。类似地，ZnO纳米颗粒以0.5–2.0 mg g^-1施用时，在盐碱土壤中细菌种群减少36–48%，而黑土受影响较小，表明土壤类型的重要性。

植物反应也是浓度和模型依赖性的。在小麦中，ZnO毒性在酸性土壤中更大，其中可溶性锌和地上部锌浓度分别比碱性土壤高约200倍和10倍。在大豆幼苗中，8 nm ZnO纳米颗粒在500 mg L^-1时使根生长增加30%，但在4000 mg L^-1时减少40%。在500 mg L^-1时锌积累达到229 mg kg^-1干重，而ZnO在根组织内转化为Zn(II)物种。相反，TiO₂纳米颗粒在2–10 mg L^-1时促进小麦幼苗生长，而较高浓度产生抑制或可忽略的效应。这些发现表明，纳米颗粒效应在低浓度时可能有益，但在较高浓度时可能有毒。

纳米颗粒生物分布也强烈依赖于暴露途径。在用5% TiO₂防晒霜处理四周的迷你猪中，颗粒主要保留在角质层和毛囊中，肝脏或淋巴结中未检测到增加的钛。在一项人体研究中，连续五天使用含有19 nm ZnO的防晒霜，仅导致血液中锌示踪剂的小幅增加，约为总血锌的0.1%，尽管不清楚这是否代表完整纳米颗粒还是溶解的锌。总之，这些发现表明通过完整皮肤的全身分布有限，但强调了颗粒溶解、皮肤状况、剂量和暴露持续时间的重要性。

3.11. 转化与监管考虑

除了生物安全性，成功的实施需要可扩展的制造、可重复的合成和法规遵从。最重要的挑战之一是可重复性差，由植物提取物组成、植物化学含量、提取方法、前体化学和合成条件的变异性驱动。这些参数的微小变化可显著改变纳米颗粒形态、表面化学、ROS行为和生物相互作用。监管批准尤其具有挑战性，因为混合生物纳米系统不完全适合现有的化妆品、药品或医疗器械分类。此外，标准化的表征方法和基准测试协议在该领域仍不充分发展。因此，研究间的直接比较往往困难。

对于防晒霜和化妆品应用，监管批准需要远不止展示紫外线阻挡功效。候选纳米材料必须经过全面的物理化学表征，包括颗粒尺寸分布、形态、表面化学、结晶度、zeta电位、聚集行为和批次间可重复性。功能性能应使用公认的SPF和UVA防护方法评估，并结合紫外线暴露后的光稳定性评估。此外，安全性评估应包括皮肤渗透研究、皮肤刺激和致敏测试、细胞毒性、遗传毒性和光诱导毒性。越来越多的监管关注也指向从化妆品配方中释放的纳米颗粒的环境归宿和生态毒理学效应。总之，这些要求表明，成功的临床和商业转化不仅取决于光防护功效，还取决于稳健的制造、可重复的产品质量、全面的安全性评估和法规遵从。

另一个局限性是过度依赖简化的体外生物模型。许多研究未能充分评估长期暴露、慢性炎症、免疫反应、皮肤屏障相互作用、环境释放或现实配方条件。因此，更生理相关的模型，包括重建人体皮肤系统和长期体内研究，将是必要的。可扩展的制造也具有挑战性，因为生物原材料表现出固有的组成变异性。弥合实验室合成与工业生产之间的差距将需要改进的过程标准化、质量控制框架以及纳米技术专家、皮肤科医生、毒理学家、材料科学家和监管机构之间的跨学科合作。

4. 未来展望

尽管取得了显著进展，但在植物来源纳米材料完全转化为实用和商业光防护技术之前，仍存在若干挑战。未来研究的主要优先事项之一是建立标准化、可扩展和可重复的绿色合成方案。植物提取物组成、合成条件和纳米颗粒特性的变异性可影响所得纳米材料的物理化学性质和生物性能。将植物提取物的代谢组学表征与机器学习引导优化相结合，可能有助于识别负责纳米颗粒形成的植物化学物质并改善制造一致性。机器学习提供了将合成参数（植物种类、提取物组成、pH、前体浓度和反应温度）与纳米颗粒尺寸、结晶度、zeta电位、带隙和光防护性能相关联的机会，实现预测性优化而非经验试错合成。类似的预测模型可应用于植物介导光防护纳米材料，以优化紫外线吸收、最小化光催化ROS产生并改善批次间可重复性。

另一个关键研究领域涉及安全性和长期生物效应的全面评估。尽管植物介导纳米颗粒通常被认为是生物相容的，但仍需要详细研究皮肤渗透、细胞毒性、免疫反应和长期暴露，以验证其广泛化妆品和生物医学使用的安全性。同时，监管框架和测试标准必须发展以应对生物来源纳米材料在消费品中的日益使用。未来进展可能依赖于从经验性材料发现转向预测性和设计驱动的工程方法，整合计算建模、高通量合成和系统级生物学评估。混合生物纳米复合材料、表面工程化纳米颗粒、刺激响应材料和控释抗氧化平台等创新可显著提高紫外线屏蔽效率，