综述：源自植物化学物质的功能性金属/金属氧化物纳米复合材料：机制机理与生物相互作用

植物衍生金属与金属氧化物纳米复合材料通过绿色合成技术实现形态、结晶度和表面性质的精准调控，其协同生物活性机制涉及细胞摄取、ROS生成及信号通路调控。本文构建合成-结构-活性预测框架，提出植物化学成分作为理性设计工具，并系统分析其应用潜力与挑战。

Mohammad Asim Saifi|Aayasha Negi|Amanpreet Kaur|Lakshya|Ramchander Merugu|Sadhna Negi|Mohamed Taha Yassin

印度北方邦莫拉达巴德IFTM大学化学系，邮编244102

摘要

植物化学衍生的金属和金属氧化物纳米复合材料（NCs）在可持续纳米材料合成领域取得了重大进展。本综述的核心创新之处在于提出了一种预测性的“合成-结构-活性”框架，将绿色合成方法从经验性方法转变为理性设计范式。该框架将植物化学成分与对纳米复合材料形态、结晶度和表面性质的精确控制紧密关联起来，而这些因素又决定了其功能表现。这些纳米复合材料具有多种生物活性，包括抗菌、抗癌、抗氧化和再生作用，并重点探讨了其背后的协同机制。这些机制涉及植物化学物质与金属之间的相互作用，从而调节细胞内化过程、活性氧（ROS）的产生以及细胞内信号通路。本文还讨论了当前存在的局限性，如可重复性、毒性和监管挑战，并展望了其在生物医学和环境应用中的前景。本综述建立了一个开创性的合成结构与活性框架，详细解析了植物来源的金属和金属氧化物纳米复合材料的绿色合成过程及其多功能特性。

引言

纳米技术是一门专注于在纳米尺度上操控原子和分子来设计结构、设备和系统的学科[1]。在医学领域，纳米技术通过纳米手术、靶向药物输送和组织工程等先进技术，有望彻底改变疾病管理方式[2],[3]。该技术已被工业界广泛应用，包括信息通信领域，同时也应用于食品、能源技术以及某些医疗产品和药品中[4]。实现这些进步的关键材料是纳米复合材料（NCs），定义为至少包含一种纳米尺度（1–100纳米）组分的固态材料[5]。由于其独特的性质，纳米复合材料在电子学、药物输送、能量存储和生物医学应用中具有重要价值[6]。在纳米生物技术中，纳米复合材料不仅作为治疗载体，还作为诊断、假体和植入设备的活性成分。纳米技术具有巨大潜力，可能对社会产生深远影响。它们可用作稳定剂、还原剂和封端剂，在纳米颗粒（NPs）的合成中发挥作用[7]。这些方法被认为是“绿色”的，因为它们使用天然材料而非合成化学品。植物化学物质与金属离子反应，将其还原，防止纳米颗粒聚集并稳定其胶体溶液。将金属和金属氧化物纳米复合材料沉积在所需位置具有巨大的潜力，可用于化学、光学、电子学和生物医学等领域的各种应用[8]。这些材料能够通过脂质体等载体实现治疗剂的封装和靶向输送，脂质体已被广泛应用于化疗药物和抗生素等药物中，以及骨骼再生和植入手术[9]。其功能性源于各组分之间的相互作用，通常是纳米结构金属氧化物与有机或无机基质的结合，从而实现可调节的反应性、增强的表面活性和可控的药物释放。这类纳米复合材料的合成方法主要分为三类：溶液法、气相法和蒸发法，每种方法都有其独特优势[10]。值得注意的是，当两种不同的金属或金属氧化物在原子层面化学结合形成单相或核壳结构时，该材料可归类为双金属纳米结构；而当两种金属或金属氧化物保持各自的晶体特性并在共享的纳米尺度框架中共存时，科学上将其归类为纳米复合材料[11]。

金属和金属氧化物纳米晶体（NCs）在纳米医学中是多功能工具，主要作为治疗剂的高效载体。它们常被封装在脂质体内，以实现向特定生理部位的靶向输送，从而减少副作用并提高治疗效果[12]。除了药物输送外，这些材料在植入式医疗设备中也非常重要，能提升机械耐久性、功能性和与生物组织的整合性。近年来，研究人员广泛探索了纳米复合材料领域（见图1（a））。图中展示了利用多种植物材料制备的金属基纳米复合材料的杰出成果。

这些材料在骨组织工程中的作用尤为显著。它们被制成纳米结构支架，模拟天然骨基质，通过改进生物相容性、结构稳定性和促骨再生能力来促进骨骼再生[13]。对这些支架进行改造以增强其生物相容性和骨组织再生能力。纳米技术在癌症检测和治疗方面也有潜力[14]。由于金属和金属氧化物纳米晶体具有独特的光学、电学、磁性和生物学性质，其合成方法非常普遍[15]。合成方法通常分为三类：溶液法、气相法和蒸发法[16]。这种合成方法依赖于纳米材料的特性，而物理技术则能大量生产纳米复合材料。金属和金属氧化物纳米晶体可通过多种技术合成（见图1（b））。植物来源的纳米复合材料的新颖性和有效性源于植物化学物质在结构和功能上的直接且多方面的作用。特定的植物化学成分（如黄酮类、萜类、酚类和蛋白质）不仅作为还原剂，还作为活性构建模板。这些生物分子决定了纳米晶体的成核动力学、生长过程和最终纳米尺度结构（大小、形态、结晶度），同时赋予纳米表面功能性。这种植物化学封端层直接提升了生物相容性、胶体稳定性和靶向生物活性（如抗氧化、抗菌或抗癌性能）[17]。因此，建立明确的“植物化学-合成-结构-活性”关系至关重要，这使人们将植物提取物从简单的绿色试剂转变为用于设计纳米复合材料的理性工具，从而在生物医学和催化领域实现可预测的优异功能。

本文系统地弥合了这一差距，为研究人员提供了创建可应用纳米材料的设计原则。综述介绍了三项突破性进展：（1）植物化学-结构蓝图；（2）纳米复合材料的固有生物活性；（3）生物合成路线。这些贡献将绿色合成从经验观察转变为可预测的设计学科。此外，本文还从成本、可扩展性和环境影响等方面对绿色合成方法进行了比较。其创新之处在于将合成机制与实际应用联系起来，为开发用于健康和环境领域的可持续纳米材料提供了明确路径。

部分内容摘要

植物介导的金属和金属氧化物纳米复合材料合成

利用植物和微生物作为主要原料，可以可持续地合成金属和金属氧化物纳米复合材料。相比微生物，使用植物提取物具有操作简便、生物危害风险低的优点。此外，这种方法减少了微生物分离和培养基的成本，相比传统化学和物理方法更具成本效益，同时提供了更可持续和环保的替代方案[18]。

植物代谢物在纳米复合材料合成中的作用

利用植物提取物合成金属和金属氧化物纳米晶体已成为一种可持续且环保的化学方法替代方案[31]。提取物可来自植物的不同部位，如叶子、茎、根和花。它们在纳米颗粒形成过程中充当天然还原剂、封端剂和稳定剂，有助于金属离子的还原，提高稳定性。

分析表征技术

金属和金属氧化物纳米复合材料通过多种方法进行表征，这些方法基于它们的形态、粒径、相态、组成、热稳定性、光学、磁性和电学性质以及其在医学和其他领域的应用。这些方法包括紫外-可见光谱、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）分析，这些分析方法影响尺寸、形状和组成的测量准确性[41],[42]

生物潜力

用生物分子对绿色合成的材料进行有效功能化，显著提升了金属和金属氧化物纳米颗粒的治疗和诊断能力[61]。以下部分强调了它们在生物医学研究各领域的日益重要性。

植物介导的金属和金属氧化物纳米复合材料合成中的挑战

通过植物介导的方法合成的金属和金属氧化物纳米复合材料为传统的化学合成提供了环保替代方案。然而，尽管这种方法具有环保优势，但仍存在一些挑战：

未来方向

金属和金属氧化物纳米复合材料具有巨大潜力和应用前景，吸引了医学、农业、光学、废水处理、生物医学、制药、信息技术、电子学、催化、环境科学、能源和储能等多个领域的研究人员的关注。新的纳米材料正在开发中，显示出从光、温度变化、运动等来源获取能量的潜力

结论

本综述强调了植物介导的金属和金属氧化物纳米复合材料合成作为一种可持续且环保的替代方案的潜力。这种绿色方法不仅关注环境可持续性，还利用植物提取物中的天然植物化学复杂性来调控成核、生长和稳定过程，从而合成出具有优异生物相容性、靶向治疗效果和优化催化性能的纳米复合材料。

作者贡献声明

Mohammad Asim Saifi： 数据分析、数据整理。Aayasha Negi： 监督、研究、概念构思。Amanpreet Kaur： 软件开发。Lakshya： 研究。Ramchander Merugu： 研究。Sadhna Negi： 验证。Mohamed Taha Yassin： 概念构思。

参与同意

本文的所有作者均同意参与本研究。

发表同意

所有作者同意以当前形式发表本文。

伦理批准

不适用。

资金情况

本研究未获得任何外部资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

Aayasha Negi 是一位致力于学术研究的创新型学者，目前担任莫拉达巴德IFTM大学的化学助理教授。她出生于1996年6月7日，来自北阿坎德邦的Pauri Garhwal地区，拥有Hemwati Nandan Bahuguna Garhwal大学的化学博士学位。Negi博士在利用药用植物进行纳米颗粒和纳米复合材料的绿色合成方面建立了卓越的研究成果，重点研究其生物活性