综述：绿色纳米酶：用于氧化还原催化与理性材料设计的生物衍生界面

《Materials Today Chemistry》：Green nanozymes: Bio-derived interfaces for redox catalysis and rational materials design

　　

•生物来源的界面调节氧化还原通路与类酶催化。•绿色合成将可再生原料与纳米酶理性设计相结合。•缺陷与混合价中心决定绿色纳米酶的催化活性。•界面化学实现了具有可调选择性的可持续纳米酶。

引言

纳米技术与生物学领域的最新进展推动了具有固有序类酶催化活性的纳米材料的开发，这些纳米材料能够模拟天然酶的功能特性。这类催化纳米材料被称为纳米酶。与天然酶相比，天然酶存在生理操作窗口狭窄、稳定性差和纯化成本高等关键局限性，而纳米酶在极端pH值、温度波动和富含蛋白酶等苛刻条件下表现出强大的催化性能。这些独特优势为制造多功能平台提供了新途径，该平台具有增强的耐久性、可负担的生产成本及持久的活性，适用于多种生物医学应用[1,2,3,4]。然而，使用不可持续资源合成纳米酶所带来的环境影响已成为迫在眉睫的关切。因此，迫切需要重新思考其设计，采用环境友好技术来应对当前纳米酶制造过程中遇到的不可逾越的成本问题[5]。

随着可持续性受到越来越多的关注，设计下一代纳米酶的机会不断涌现，这些纳米酶兼具较低的环境影响与高效的性能。将可持续性与先进纳米催化功能相结合通过绿色合成制备的纳米酶，据报道也具有氧化酶模拟、过氧化物酶模拟和过氧化氢酶模拟活性，并且能够通过产生活性氧（ROS）、释放金属离子或破坏生物膜来实现抗菌效果[6]。此外，纳米酶领域在过去几年中发展迅速，初步研究表明，通过环境友好方法合成的纳米酶可以提供更好的稳定性、多种类酶活性、更宽的操作范围以及更具成本效益的生产方式[7,8,9]。绿色合成技术利用植物提取物、微生物或藻类等可再生且低成本的自然原料，将金属盐转化为纳米级颗粒，避免了苛刻的化学试剂和能耗高的加工工艺，同时将纳米酶的制造与可持续实践相结合[10]。

与传统纳米酶类似，绿色纳米酶可被工程设计以表现出优异的多种类酶催化活性和多功能性，应用于生物传感、抗菌治疗和环境修复[11]。通过升级回收有害废物、降低能耗和利用可再生的生物资源，绿色合成可进一步增强生物相容性并支持绿色化学原则[12]。这一新型纳米酶已成为下一代人工酶系统，可被广泛利用以克服传统纳米酶的固有局限性，如稳定性不足、生产成本高及易降解等。与传统纳米酶一样，催化性能可通过尺寸、形貌和表面化学进行微调。这些纳米酶的结构可编程性使其适用于生物医学成像、药物递送、生物传感和癌症治疗。其受控的反应性和定位能力可减少非目标氧化应激并降低体内副作用。

尽管绿色合成纳米酶领域的出版物数量激增且取得快速进展，但仍面临多个未解决的关键挑战，如阐明催化机制、实现对活性的可预测控制、最小化细胞毒性以及工程化精确的基质选择性以实现安全的临床转化[13,14]。在当前绿色纳米酶平台中，银基纳米酶表现出优异的化学稳定性、生物相容性和强大的抗菌性能。其独特的多靶点机制可以减缓病原体耐药性、提高杀菌剂的渗透性并实现更低的给药剂量。据报道，它们还能产生协同抗菌效果，毒性比达到约1.32，这清楚地表明了其作为可持续高效抗菌技术的巨大潜力[15]。

绿色化学还为生产金属基纳米酶提供了环境友好途径，通过规避有毒试剂并将纳米粒子生产的环境足迹降至最低。例如，植物来源的代谢物如多酚和皂苷可作为天然的还原剂和稳定剂，实现纳米级催化剂的受控成核与稳定化。与传统纳米酶或天然酶相比，使用无毒可再生的原料（如生物质）作为纳米酶合成的前驱体，在成本、丰富度、生物相容性和可再生性方面具有明显优势[16]。随着化石资源的枯竭和环境压力的加剧，及时且迫切的创新在于利用可再生原料和绿色技术来制造高性能纳米酶。纳米酶里程碑发展的路线图设想，它们将在不久的将来成为新兴生物功能、抗菌和环境技术的关键组成部分。由于该领域获得了前所未有的科学关注，出版物数量快速增长，因此需要引导材料科学家采用简单、经济且环境友好的合成方法。然而，我们目前对如何微调绿色纳米酶的催化活性和表面化学的理解仍不足以实现具有较低环境影响的新一代先进纳米酶系统。因此，需要对该类纳米酶的来源、合成路线、催化性能和应用进行全面系统的文献综述。迄今为止，纳米酶领域已发表了几篇综述文章。然而，大多数综述集中在单个纳米酶类别或特定应用领域，对于利用可再生原料或绿色合成策略在纳米酶平台上取得的快速发展尚未进行系统梳理。例如，Li等人[17]强调了纳米酶分类学、催化机制和可控合成策略的潜力，并着重指出精确的结构调控、可扩展制造和环境安全性对于推进纳米酶在复杂生物和农业系统中的应用的重要性。Singh等人[18]的综述聚焦于不同类别纳米酶的长期毒性和环境影响。Chi等人[19]发表的另一篇综述指出，在实现与自然酶相当的催化效率、保持绿色合成的均匀性以及规模化工业生产方面仍存在未解决的挑战，同时需要进行全面的生物相容性和生态毒性评估。最近，Tanawish等人[14]描述了基于氧化铁的纳米酶的化学性质、合成方法、特性和生物医学应用。在所有这些案例中，均未讨论绿色纳米酶在癌症诊断和治疗方面的合成与催化效率。

因此，迫切需要一篇及时且全面的综述来整合广泛分散的绿色纳米酶文献，并为刺激新概念产生和加速实用化转化奠定必要的基础。本综述的范围与其他现有综述文章有显著不同，因为它在一个全景框架下呈现了可持续纳米酶平台的催化基础、设计参数和生物功能应用。本文将详细讨论纳米酶的基本催化特性，特别关注利用可再生原料的绿色合成路线的最新进展。我们将系统考察如何利用绿色合成技术和表面工程来调控纳米酶的催化活性、生物稳定性和生物相容性。本文还着重强调绿色纳米酶长期存在的未解决挑战和新兴的商业前景，并提出未来发展的路线图。阅读本文后，我们期望读者能够认识该领域的广度与深度，并对绿色纳米酶的合成形成更清晰的认识，从而推进可靠、可规模化且具有临床实用价值的催化平台的发展。

各节摘要

绿色纳米酶的机制起源

绿色纳米酶可视为生物源控制与无机催化的交汇产物，产生了一类其行为无法完全由传统酶模型或经典非均相纳米酶解释的催化系统。其催化活性源于电子结构、缺陷化学、生物分子配位和微环境响应性之间的分层相互作用。这创造了一个"混合催化景观"，其中绿色纳米酶……

叶片微工厂模型

叶片微工厂模型将生物衍生合成环境描述为空间受限的氧化还原活性系统，其中代谢物通量、配位化学和缺陷形成是内在耦合的。该模型作为材料设计框架提出，而非生物学类比，为理解合成环境如何调控纳米酶的结构和催化功能提供了机制性见解。

绿色金属纳米酶

绿色金属纳米酶是一种酶模拟物，其催化活性中心由零价金属组成，而非金属氧化物或化合物。这种构型能够实现表面介导的电子传递途径，与自然酶的途径高度相似[112,113]。与主要依赖Fenton或类Fenton反应的金属氧化物纳米酶不同，金属纳米酶通过金属表面的直接电子交换促进生物相容的催化作用，因为……

生物聚合物涂层作为智能钝化界面

生物聚合物涂层在绿色纳米酶结构中充当智能和自适应界面。生物大分子（包括蛋白质、多糖、有机酸和植物化学物质）并非仅仅作为被动的包覆剂，而是通过形成保护性外壳来阻止团聚、调节颗粒尺寸并维持生物相容性和界面稳定性[6]。在这一功能框架内，壳聚糖被独特地认可为一种线性……

微环境驱动的激活机制

纳米酶的催化行为并非固有属性，而是由局部微环境动态调节，包括pH值、氧化还原状态、ROS水平以及硫醇和代谢物的浓度。关于肿瘤微环境（TME）和谷胱甘肽（GSH）响应性纳米酶的最新综述表明，pH、H?O?、O?和GSH的变化可以在过氧化物酶样、氧化酶样、过氧化氢酶样和超氧化物歧化酶样模式之间切换纳米酶的活性[1,2,3]。通过植物……等生物源途径合成的绿色纳米酶……

伤口愈合与组织再生

伤口愈合是一个多阶段的生物过程，在慢性炎症、缺氧、氧化应激和细菌感染条件下常常失败，这就需要先进的治疗策略。绿色纳米酶系统和酶工程水凝胶已成为强大的平台，通过整合抗菌活性、氧化还原稳态调节、免疫调节和促血管生成刺激，主动调控伤口微环境。这使得对愈合过程进行时空精确控制成为可能……

结语与未来展望

纳米酶已从基本的酶模拟物演变为超越天然酶功能限制的多功能人工催化剂。这一进展通过消除对天然酶的传统依赖，并促进在天然酶通常无法工作的恶劣环境中实现高效催化，彻底改变了生物催化和纳米医学领域。如本综述所强调的，将廉价废弃物碳（如食品废物和废弃碳）转化为有用的绿色纳米酶……

CRediT作者贡献声明

Mohammed Ali Dheyab：撰写—审稿与编辑，撰写—原始草稿，监督，项目管理，方法论，概念构思。
Wesam Abdullah：撰写—审稿与编辑，撰写—原始草稿，可视化，方法论。
Mothana Hussein Tarawneh：撰写—原始草稿，可视化，调查研究。
Mutaz Mohammad Alsardi：撰写—原始草稿，可视化，调查研究。
Sara Abdulwahab：撰写—原始草稿，可视化，方法论。
Ammar Khazaal Kadhim

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由马来西亚理科大学桥梁资助计划（项目编号：R501-LR-RND003-0000002097-0000）支持。作者衷心感谢马来西亚理科大学（USM）研究与创新分部对该项目的宝贵支持与协助。

Mohammed Ali Dheyab | Wesam Abdullah | Mothana Hussein Tarawneh | Mutaz Mohammad Alsardi | Sara Abdulwahab | Ammar Khazaal Kadhim Almansoori | Nazila Oladzadabbasabadi | Mahmood S. Jameel | Azlan Abdul Aziz | Mehran Ghasemlou