碳点（CDs）是一种新型纳米材料，具有卓越的生物相容性、可调谐的荧光性和多功能性，使其在生物医学领域成为一个有前景的候选者。天然药物，包括植物、动物、矿物质及其提取物，由于其丰富性、可再生性和环境友好性，是合成碳点的理想前体。这解决了与传统化学前体相关的可持续性和环境问题。天然药物来源的碳点（NM-CDs）具有准球形核壳结构，尺寸范围在1至10纳米（nm）之间，其表面的羟基、羧基和氨基基团增强了它们的亲水性和功能性。它们的性质可以通过合成温度和杂原子掺杂进一步调节。关键的是，NM-CDs将天然药物的药理活性与碳点独特的纳米尺度特性相结合，架起了传统医学与现代纳米技术之间的桥梁。本综述全面概述了NM-CDs的发展，包括绿色的天然前体、形成机制和合成策略。它系统分析了NM-CDs的结构和性质，将其治疗应用归纳为七大类疾病类型，并详细阐述了其基本的药理机制。最后，强调了NM-CDs可持续发展的十个关键机遇和挑战。通过整合高效资源利用、绿色化学原理和临床需求，NM-CDs在推进生物基纳米治疗药物以及通过现代科学方法提升天然药物价值方面展现出巨大潜力。
本文为一篇关于天然药物来源碳点（NM-CDs）的综述，系统阐述了其从前体选择、形成机制、合成策略到结构特性、物理化学性质以及多领域疾病治疗应用的全貌。
**1. 引言**
碳点（CDs）是一类直径小于10纳米的零维碳基纳米材料，于2004年被发现。其结构通常由sp
2/sp
3杂化无定形碳原子构成的核心和富含表面功能基团或聚合物链的外壳组成。独特的荧光特性、生物成像与传感能力、尺寸依赖的药物递送性能以及靶向潜力，使其成为精准治疗和实时诊断的理想候选材料。早期碳点主要使用柠檬酸、苯胺等化学前体合成，这些过程常产生有毒副产物，限制了其生物医学应用。相比之下，从天然药物合成的碳点提供了一种环境友好且可持续的替代方案。天然药物作为丰富可再生的前体，赋予碳点增强的功能性和生物相容性。研究表明，碳化可显著改变天然药物的化学结构和生物活性，这为碳点合成提供了理论基础。天然药物来源碳点（NM-CDs）融合了天然前体的药理活性与纳米碳材料的物理化学优势，具有高生物相容性和低细胞毒性，并能通过π–π堆积或静电相互作用增强难溶性化合物的水溶性。在合成过程中，NM-CDs可以保留原有的药理基团同时引入新基团，从而扩展其治疗应用。此外，其固有的光学性质促进了诊疗一体化及药理机制的实时可视化。整合关于NM-CDs的前体、形成机制、合成策略、结构特征、物理化学性质和应用的碎片化证据，对于阐明其构效关系、生物活性和转化潜力至关重要。
**2. 前体**
作为NM-CDs的起源，天然药物前体在决定其形成机制、合成策略以及下游结构和功能特性方面起着基础性作用。根据天然药物是否经历碳化处理，NM-CD前体可分为预碳化前体和后碳化前体（生药材）。预碳化前体是指在NM-CD合成前已进行过传统碳化的天然药物，而后碳化前体则是在NM-CD合成过程中进行碳化处理。经验上，预碳化前体通常表现出止血效果，而后碳化前体的临床应用范围更广，可用于治疗咳嗽、高血压、腹泻等多种全身性疾病。迄今为止，在已记录的许多天然药物中，已有105种被开发成用于生物医学应用的碳点。其中，33种NM-CDs源自预碳化前体，如炭姜、丹参炭等，它们不仅保留了止血特性，还显示出治疗急性器官损伤、炎症性疾病和自身免疫性疾病的功效。另外72种NM-CDs源自生药材，如大黄、甘草等，其治疗潜力涵盖广泛的急慢性疾病，包括感染性和神经精神疾病。目前，前体选择和功能优化策略主要基于经验性的试错方法。人工智能（AI）正日益被视为前体筛选和合理设计的潜在辅助工具。未来，AI与前沿技术（如单细胞组学、空间组学和类器官模型）的整合，以及符合中医药原则方法的开发，将为中医药现代化创造重大机遇。
**3. 形成机制、合成与结构**
**3.1. 形成机制**
NM-CDs的组成主要包括碳基核心、杂原子掺杂剂、表面功能基团和天然来源的生物活性残留物。碳核心主要由天然药物中的多糖、黄酮类等化合物在高温下经脱水和芳构化形成的sp
2/sp
3杂化或无定形碳结构构成。内源性杂原子（如氮、硫、磷）被整合到碳框架中，产生掺杂态以调制电子结构。表面富含羟基（–OH）、羧基（–COOH）和氨基（–NH
2）基团，确保了良好的水分散性和可功能化性。一些热稳定的天然生物活性化合物可能以物理吸附或π–π堆积方式存在于碳点内部或表面。关于形成机制，较低温度（通常低于300°C）有利于天然药物的碎片化和缩合成无定形碳核心；较高温度则促进碳核心的石墨化，通过带隙变窄诱导荧光红移。
**3.2. 合成**
现代碳点的合成策略通常分为自上而下和自下而上两大类。自下而上方法更适用于NM-CDs，其中高温热解在概念上对应于天然药物的碳化处理，但通常导致量子产率（QY）较低且需要苛刻的反应条件。水热合成以水为反应介质，无需进一步表面钝化，具有更高的QY和更低的毒性，是目前最广泛采用且环境友好的方法。溶剂热法使用甲酰胺等有机溶剂，简单低成本但需大量纯化。微波辅助合成利用微波辐射快速碳化，具有高效率和良好的重现性，被认为是工业化规模生产NM-CDs的有前景方法。合成策略及其参数在很大程度上决定了NM-CDs的粒径分布、形貌和结构均匀性。
**3.3. 结构**
NM-CDs通常呈现1至10纳米的粒径，显示出均匀的分布和狭窄的尺寸范围，形成球形或近球形纳米结构。形貌上具有包含石墨碳核和无定形碳区的核壳结构。通过原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）可直接观察粒径和形貌。高分辨TEM（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）用于表征晶体结构。粒径强烈影响生物活性和生物屏障穿透性。Beyond形态和尺寸，维持核壳结构对NM-CDs的功能至关重要，因为其无定形碳区承载了多种赋予其独特性质的表面功能基团。最常观测到的表面功能基团是羟基、羧基和氨基。富含蛋白质的天然药物在碳化过程中可能引入氮（N）、硫（S）等杂原子。
**4. 性质**
**4.1. 光学性质**
NM-CDs的光学性质包括吸光度、荧光和QY等关键参数。大多数碳点在紫外区（230-320 nm）表现出强光吸收。荧光特性和强度多样，表面功能基团使其具有多种发射模式。QY是评估荧光效率的关键参数。富含蛋白质的天然药物能有效增强QY。
**4.1.1. 生物成像**
NM-CDs因其纳米尺寸、强荧光、低毒性和优异的生物相容性，已被用于体外和体内成像。体外成像研究主要集中在细胞成像和微生物成像。在体内成像方面，经过功能化的NM-CDs可实现靶向近红外荧光成像，用于深层组织成像。
**4.1.2. 生物传感**
NM-CDs在生物传感中具有广泛应用，包括对生物分子、pH、药物和离子的检测。其荧光信号在与目标分子相互作用时可被特异性调制，表面功能基团使其无需额外化学修饰即可识别分析物。
**4.2. 抗氧化性**
作为碳基纳米材料，NM-CDs被广泛报道具有强大的抗氧化能力，表现出类似天然氧化酶（OXD）、葡萄糖氧化酶（GOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）的酶模拟活性。其抗氧化特性源于共轭碳核心、杂原子掺杂的电子结构和丰富的表面功能基团，共同促进了电子转移和高效的活性氧（ROS）清除。
**4.3. 易修饰性**
NM-CDs的合成方法多样，并能保留前体材料的生物活性成分和功能基团。碳点的修饰策略通常分为杂原子掺杂、非共价偶联和共价偶联。当前对NM-CD修饰的研究主要集中在杂原子掺杂上，这可以赋予碳点可调谐的性质。此外，碳点与多孔框架材料（如金属有机框架，MOFs）的杂化也正在被探索。
**5. NM-CDs在疾病中的精准治疗**
基于对前体、形成机制、合成策略、结构特征和物理化学性质的讨论，可以更全面地理解NM-CDs的治疗效果。
**5.1. 急性器官损伤**
NM-CDs在治疗急性器官损伤中显示出独特优势，例如在急性心肌梗死、缺血性卒中、创伤性脑损伤和急性肾损伤模型中，通过增强抗氧化防御、抑制促炎因子和修复组织屏障等机制发挥保护作用。
**5.2. 内分泌和代谢疾病**
在糖尿病、痛风和肥胖等疾病模型中，NM-CDs通过调节葡萄糖代谢、嘌呤代谢和脂质代谢相关途径发挥治疗作用，还显示出对激素水平的调节潜力。
**5.3. 炎症性和自身免疫性疾病**
NM-CDs通过减少促炎细胞因子水平、限制炎症细胞浸润和减轻氧化应激，在炎症性疾病（如酒精性胃溃疡）和自身免疫性疾病（如溃疡性结肠炎、过敏性鼻炎）中发挥治疗作用。
**5.4. 癌症**
NM-CDs通过诱导癌细胞凋亡、作为药物递送载体以及减轻传统癌症治疗的副作用等多种机制在癌症治疗中展现出潜力。
**5.5. 组织修复与凝血障碍**
源自碳化药物的NM-CDs通过激活内源性、外源性和共同凝血途径，增强纤维蛋白原系统活性和促进血小板聚集，表现出显著的止血作用。此外，它们还被用于促进伤口愈合和骨组织再生。
**5.6. 神经精神疾病**
NM-CDs主要通过调节神经递质水平、减轻神经炎症反应和调节神经内分泌轴活动，在抑郁症、焦虑症、疼痛以及神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）模型中发挥治疗作用。
**5.7. 感染性疾病**
NM-CDs通过产生活性氧、破坏细菌生物膜或干扰关键代谢途径来抑制耐药细菌；同时，通过阻断病毒进入、抑制复制过程并协调调节宿主抗病毒免疫反应，在抗病毒方面也具有潜力。
**6. 总结与展望**
**6.1. 总结**
NM-CDs体现了可持续天然药物与先进纳米技术的革命性融合。在结构上，它们通常呈现准球形核壳纳米结构。在功能上，展现出特征性的光学性质、强抗氧化能力和易修饰性。在治疗上，在七大疾病领域展现出广谱疗效。尽管如此，其发展仍面临前体来源扩展、结构与光致发光机制阐明、表面活性分子精确确定、制备过程标准化、体内代谢分布与长期生物安全性研究、药理机制深化、药物负载工具开发、近红外发射NM-CDs制备、替代临床碳化药物以及AI辅助研究等诸多挑战与机遇。
**6.2. 展望**
NM-CDs在生物成像、生物传感、疾病治疗和药物递送方面前景广阔，但未来发展道路仍充满机遇与挑战。包括扩展前体来源、阐明结构与光致发光机制、精确确定表面活性分子、标准化制备过程并提高产率、关注体内代谢分布与长期生物安全性、完善物质理论基础和药理机制、开发基于NM-CDs的药物负载工具、制备近红外发射NM-CDs、用NM-CDs替代临床使用的碳化药物，以及利用人工智能构建结构-性质-活性-疗效网络等十个未来发展方向。
**7. 结论**
总之，NM-CDs作为一种变革性的纳米诊疗剂，在绿色可持续的框架内架起了天然药物与纳米医学之间的桥梁。尽管取得了有前景的进展，但解决结构异质性、机制阐明、制备标准化和长期生物安全性等相关挑战仍需付出进一步努力。持续的跨学科研究将对促进NM-CDs的合理设计和未来临床转化至关重要。
