本综述针对过渡金属及金属氧化物纳米颗粒（nanoparticles, NPs）作为新兴多功能生物医用平台开展了批判性整合分析，重点聚焦其兼具的抗氧化与抗菌双重性能。区别于传统描述性研究范式，本文系统构建了粒径、形貌、表面电荷、结晶度及功能化修饰等理化参数与生物效能之间的关联，明确了调控治疗有效性与生物安全性的清晰结构-活性关系。研究系统梳理了银（Ag）、铜（Cu）、硒（Se）、钛（Ti）、锌（Zn）、铁（Fe）等关键过渡金属及其氧化物的作用机制，涵盖活性氧（reactive oxygen species, ROS）调控、金属离子释放、细胞膜破坏及酶模拟抗氧化活性等通路。文章重点阐述了绿色合成与仿生合成等近期合成策略进展，指出其为提升材料生物相容性、稳定性及靶向功能提供了可行路径。尤为重要的是，本综述批判性探讨了ROS在介导抗菌作用与氧化应激调控中的双重角色，提出了用于指导平衡型纳米治疗药物设计的统一框架。对比分析表明，强抗菌活性的材料通常表现出较弱的本征抗氧化能力，凸显了理性设计杂化或多功能纳米平台的必要性。此外，本文全面评估了细胞毒性、长期生物安全性、微生物耐药性及临床转化等核心挑战，并提出表面工程、可控离子释放及与传统抗生素协同联用等应对策略。通过桥接基础机制与应用生物医视角，本综述为下一代安全、高效且具有临床转化潜力的金属基纳米材料研发提供了可操作的见解。
1 引言
现代医疗面临耐药微生物快速涌现与氧化应激相关疾病高发的双重挑战，亟需创新治疗策略。传统抗菌药物疗效逐渐衰减，促使研究人员寻找能够在对抗耐药病原体的同时最小化不良反应的替代疗法。与此同时，氧化应激已被证实参与癌症、神经退行性疾病、心血管疾病及慢性炎症等多种病理进程。在此背景下，过渡金属及其氧化物纳米材料凭借其独特的理化与催化特性，在抗菌治疗与氧化应激调控等生物医用领域展现出巨大潜力。纳米技术已成为开发应对上述挑战的高端生物医用材料的强力平台，特别是过渡金属及金属氧化物纳米颗粒，因具有高比表面积体积比、可调电子特性及催化活性而备受关注。银（Ag）、铜（Cu）、铁（Fe）、钛（Ti）及硒（Se）等金属具备本征抗菌与抗氧化特性，当其被制备为纳米尺度时，由于表面反应活性增强及与微生物细胞相互作用改善，表现出更强的生物活性。过渡金属纳米颗粒及其氧化物通过多种机制发挥抗菌效应，包括活性氧（ROS）生成、金属离子释放、细菌膜破坏及干扰细胞代谢等。除抗菌效应外，多种金属基纳米材料还可通过清除自由基、模拟抗氧化酶以及调节细胞内氧化还原平衡表现出显著的抗氧化能力。例如，银（Ag）及其氧化物（AgO）具有公认的强杀菌性能；硒（Se及SeO2）通过氧化还原循环及谷胱甘肽过氧化物酶模拟发挥强效抗氧化活性；铜（Cu及CuO）兼具抗菌与促氧化特性，适用于伤口愈合与生物膜抑制；钛基材料（Ti及TiO2）则广泛应用于医用植入体，具备优异的抗菌涂层与光催化ROS生成能力。过渡金属的d轨道未完全填充，使其能够参与氧化还原反应、电子转移过程及催化转化，这使得金属基纳米材料能够通过ROS调控、金属离子释放及表面催化反应与生物系统发生相互作用。除本征氧化还原特性外，材料的生物效能还强烈依赖于粒径、形貌、结晶度、表面电荷及化学功能化等理化参数。与块体材料相比，纳米颗粒更高的比表面积增强了其催化活性、离子释放能力及对微生物膜的相互作用，这些因素共同影响治疗效果与潜在细胞毒性。纳米技术的近期进展已实现对纳米颗粒合成与表面工程的精准控制，绿色合成、聚合物功能化及配体介导靶向等技术使研究人员能够设计出具有更高稳定性、生物相容性及治疗效果的纳米材料，集抗菌、抗氧化及药物递送功能于一体的多功能纳米平台正日益受到关注。尽管进展显著，金属基纳米材料在临床广泛应用前仍面临毒性、长期稳定性、生物蓄积及环境影响等问题的严峻挑战，医用纳米材料的监管审批要求严格的表征、可重复性及生物安全性评估。本综述旨在全面概述用于生物医用的过渡金属及金属氧化物纳米颗粒，聚焦其抗菌与抗氧化性能、合成策略、作用机制、毒性考量及未来展望，探讨其合成策略、理化性质、抗菌与抗氧化活性机制及新兴生物医用应用，并分析毒性、微生物耐药性及临床转化相关的关键挑战，提出优化疗效、安全性与可持续性平衡的 future 研究方向。
2 金属及金属氧化物纳米颗粒的合成策略
合成方法显著影响纳米颗粒的结构、稳定性及生物医用工效。目前已开发出物理、化学及生物等多种方法用于合成具有可控尺寸与形貌的金属纳米颗粒。近期研究聚焦于利用植物提取物、生物聚合物及氨基酸的绿色合成，以提升生物相容性并降低细胞毒性。通过配体、聚合物或肽进行表面功能化可改善其在生理环境中的靶向性与稳定性。利用自然资源与先进功能化工艺，研究人员致力于开发生物医用更安全有效的材料，这对药物递送系统、组织工程及诊断学具有重要意义。利用配体或肽修饰材料表面的工艺强化了特定应用，如肿瘤靶向，增强的靶向性意味着药物能够更有效地递送至特定细胞，提高治疗效率；生理条件下稳定性的改善确保了材料在复杂生物系统中的性能一致性。生物相容性的关注对推进医疗技术至关重要，随着个性化医疗的发展，材料能够安全与人体相互作用且不引起不良反应的需求愈发迫切。文中引用的进展可带来治疗选择的拓展与患者结局的改善，先进功能化技术的引入推动了靶向治疗的创新，分子水平的表面修饰为药物递送开辟了新方法，有望实现更高效且副作用更低的治疗。结合创新的表面功能化技术，这些发展预示着未来医用材料可在安全性与效率上得到优化，该领域的持续研究有望带来更智能、环境友好的解决方案，变革医疗服务模式并改善患者预后。具体合成技术可分为三大类：化学合成、物理合成与绿色合成。
2.1 化学合成
化学还原法因操作简便、可规模化生产而被广泛用于金属纳米颗粒制备，常采用硼氢化钠、水合肼及柠檬酸盐等还原剂将金属离子转化为金属纳米颗粒。虽然化学合成可精确控制颗粒特性，但可能涉及有毒试剂并产生环境有害副产物。
2.2 物理合成
物理技术包括激光烧蚀、蒸发-冷凝、气相沉积及机械研磨等，通常可制备高纯度纳米颗粒，但往往需要昂贵设备与高能耗，限制了大规模生产。
2.3 绿色合成
绿色合成作为一种环境友好型替代方案应运而生，其利用植物提取物、细菌、真菌及藻类等生物系统，系统中的生物分子同时充当还原剂与稳定剂，无需有毒化学品即可实现纳米颗粒形成。绿色合成具有减少环境影响、提升生物相容性及降低能耗等优势，但在工业化实施前仍需解决可重复性与规模化方面的挑战。
3 影响生物活性的理化参数
金属纳米颗粒的生物效能受其理化性质强烈影响，粒径、形貌、表面电荷、结晶度及化学成分等参数决定了纳米颗粒与生物系统的相互作用方式。总体而言，理性设计纳米颗粒的理化参数是优化其抗菌与抗氧化性能并最小化不良生物效应的有效策略。
3.1 粒径与比表面积
粒径显著影响纳米颗粒与细胞的相互作用。较小纳米颗粒具有更大的比表面积体积比，能够更强地与细菌膜相互作用并增强催化活性。小于50 nm的纳米颗粒通常表现出更优的抗菌性能，这归因于其能够穿透微生物细胞壁并更高效地生成活性氧。因此，纳米尺度颗粒往往表现出远高于其块体对应物的抗菌效率。然而，粒径减小也可能增加细胞毒性与细胞摄取，导致健康组织产生不良反应。因此，优化纳米颗粒粒径对于平衡治疗效果与生物安全性至关重要。
3.2 形貌与晶体结构
纳米颗粒形状也是决定生物活性的重要因素，棒状、星状及片状纳米颗粒因其各向异性表面结构，通常比球形颗粒表现出更强的微生物膜相互作用。纳米颗粒的形貌（包括球形、棒状、立方状或花状结构）影响其表面反应活性及与生物分子的相互作用。例如，棒状纳米颗粒常表现出更强的膜穿透能力，而高晶面结构的晶体则可能暴露出反应性催化位点。晶体结构同样影响电子转移过程与氧化还原行为，这对ROS生成与抗氧化活性至关重要。表面电荷影响与细菌细胞的静电相互作用，由于细菌膜通常带负电，带正电的纳米颗粒表现出更强的粘附力与更优的抗菌效果。形貌与晶体结构亦影响生物相互作用，例如棒状纳米颗粒因各向异性能量分布，通常比球形颗粒表现出更强的膜相互作用；同样，TiO2与ZnO等材料中的晶面可影响光催化ROS产量，进而影响抗菌效率。
3.3 表面电荷与功能化
聚合物包覆、配体连接或生物分子偶联等表面修饰策略可显著提升纳米颗粒的稳定性与生物相容性，例如聚乙二醇化（PEGylation）、壳聚糖包覆及抗体偶联等。这些策略增强了纳米颗粒的分散性，减少了团聚，并实现了靶向递送。表面电荷在纳米颗粒-细胞相互作用中起关键作用，带正电的纳米颗粒倾向于与带负电的细菌膜发生更强的相互作用，从而增强抗菌活性。利用聚合物、肽或生物分子进行的表面功能化可进一步改善纳米颗粒的稳定性与靶向能力。常见的功能化策略包括聚合物包覆（PEG、壳聚糖）、肽或抗体偶联、生物分子固定化及配体介导靶向系统等，这些修饰可提高生物相容性、防止团聚并实现靶向药物递送。表面电荷决定了静电相互作用的强弱，带正电的纳米颗粒因细菌膜普遍带负电，促进了静电吸引与膜破坏，故往往表现出更强的抗菌效应。
4 金属及金属氧化物纳米颗粒的抗菌机制
金属纳米颗粒通过多种机制发挥抗菌活性，主要包括活性氧生成、膜破坏及干扰胞内过程。
4.1 活性氧生成
主要机制之一是产生活性氧，包括超氧自由基、羟基自由基及过氧化氢。这些ROS会损伤细菌膜、蛋白质及核酸。许多金属氧化物纳米颗粒（包括TiO2、ZnO及CuO）可在生理条件或光照下产生活性氧，造成细菌膜、蛋白质及DNA的氧化损伤。
4.2 膜破坏
纳米颗粒与细菌膜的直接物理相互作用可导致结构损伤、通透性增加及胞内成分泄漏。纳米颗粒能够穿透生物膜并破坏微生物通讯与代谢通路。
4.3 金属离子释放
从纳米颗粒中释放的金属离子（包括Ag+、Cu2+及Zn2+）会与细菌酶及核酸相互作用，破坏代谢通路、抑制酶活性并干扰DNA复制。
4.4 DNA与蛋白质损伤
金属离子与纳米颗粒可能结合蛋白质与核酸中的巯基，导致酶失活与细胞功能抑制。这些机制的联合作用使得金属基纳米颗粒成为高效抗菌剂，且对传统耐药通路的敏感性较低。
5 抗氧化机制
除抗菌活性外，多种金属氧化物纳米颗粒还表现出抗氧化特性。CeO2纳米颗粒因能在Ce3+与Ce4+氧化态之间循环而备受关注，这种氧化还原循环使其能模拟超氧化物歧化酶与过氧化氢酶等天然抗氧化酶，高效清除活性氧。同样，ZnO与Fe3O4纳米颗粒可通过中和自由基的催化反应调节氧化应激，这使其成为治疗氧化损伤相关疾病的理想候选材料。具体抗氧化机制包括：某些纳米颗粒通过提供电子或氢原子中和活性氧；部分纳米颗粒模拟超氧化物歧化酶、过氧化氢酶及过氧化物酶等天然抗氧化酶；硒等金属参与氧化还原循环反应，帮助维持细胞氧化还原平衡。
6 金属纳米颗粒的性能比较
为阐明过渡金属及金属氧化物纳米颗粒的多样性与生物医用潜力，对其理化特征与生物活性进行了比较。银、铜、锌、铁及硒等金属及其相应氧化物通过ROS生成、膜破坏、金属离子释放及酶模拟活性等机制，展现出显著的抗菌与抗氧化能力。银纳米颗粒具有高导电性、强Ag+离子释放能力及高表面反应活性，通过膜破坏、Ag+释放、ROS生成及DNA相互作用发挥抗菌作用，本征抗氧化活性较弱，应用于伤口敷料、抗菌涂层及医疗器械，高浓度下存在细胞毒性。氧化锌（ZnO）纳米颗粒为宽禁带半导体，光催化活性强，通过ROS生成、Zn2+释放及膜穿透发挥抗菌作用，具有中等自由基清除能力，应用于抗菌涂层、药物递送及生物传感器，紫外照射下存在光毒性。氧化铜（CuO）纳米颗粒表面具氧化还原活性，具有芬顿样催化活性，通过ROS生成、脂质过氧化及Cu2+释放发挥抗菌作用，具有中等抗氧化特性，应用于抗菌表面及伤口愈合，存在潜在氧化细胞毒性。二氧化钛（TiO2）纳米颗粒为光催化半导体，化学稳定性高，在紫外/可见光下通过ROS生成及膜损伤发挥抗菌作用，受控条件下可调控ROS，应用于植入体涂层及光动力疗法，无光照时活性有限。二氧化铈（CeO2）纳米颗粒具有Ce3+/Ce4+氧化还原循环及氧空位缺陷，通过膜相互作用发挥中等抗菌活性，具有强抗氧化性（超氧化物歧化酶/过氧化氢酶模拟活性），应用于神经保护及抗炎治疗，直接抗菌活性较低。四氧化三铁（Fe3O4）纳米颗粒具磁性与良好生物相容性，在磁刺激下生成ROS，具有中等抗氧化活性，应用于药物递送及磁共振成像造影剂，本征抗菌活性有限。硒（Se）纳米颗粒为氧化还原活性元素，生物相容性高，通过ROS调控及代谢抑制发挥抗菌作用，经谷胱甘肽通路发挥强抗氧化活性，应用于抗氧化治疗及抗癌研究，治疗窗较窄。金（Au）纳米颗粒稳定性高，表面化学性质可调，通过膜相互作用及酶抑制发挥抗菌作用，除非功能化否则抗氧化活性有限，应用于药物递送、生物传感及成像，成本较高。
7 毒性、生物安全性与生物相容性考量
尽管应用前景广阔，过渡金属及金属氧化物纳米颗粒仍引发了对毒性与长期生物安全性的重要关切。其小尺寸与高表面反应活性可能导致与生物系统的非预期相互作用，诱发氧化应激、炎症及细胞损伤。主要毒性机制包括氧化应激、炎症、DNA损伤及细胞凋亡。全身给药后，纳米颗粒可能在肝脏、脾脏及肺部等器官蓄积。为降低毒性风险，研究人员探索了表面功能化、可生物降解涂层及控释系统等多种策略，全面的体内研究对于评估长期生物安全性仍然必不可少。一个主要的毒性机制涉及过量活性氧生成，这会损伤细胞蛋白质、脂质及DNA。虽然ROS生成有助于抗菌活性，但失控的氧化应激也可能影响健康组织，因此平衡抗菌功效与生物相容性仍是关键挑战。纳米颗粒的生物分布与清除取决于粒径、表面电荷及表面功能化等多种因素，小于约10 nm的纳米颗粒可能经肾脏快速清除，而较大颗粒则可能通过网状内皮系统在肝脏、脾脏及肺部蓄积。表面修饰策略被广泛用于降低毒性并改善生物相容性，例如用聚乙二醇（PEG）、壳聚糖或蛋白质包覆纳米颗粒可减少团聚，增强生理环境下的稳定性，并减轻非特异性细胞相互作用。此外，全面的体内研究仍然有限，尤其是关于长期暴露与潜在生物蓄积的研究，未来研究应聚焦于系统性毒性评估、标准化评价协议及更安全的纳米材料设计开发，以促进临床转化。
8 微生物耐药性与协同策略
尽管金属基纳米颗粒表现出广谱抗菌活性，微生物耐药性的潜在发展仍是一个重要考量。与传统抗生素通常靶向特定分子通路不同，金属纳米颗粒常通过ROS生成、金属离子释放及膜破坏等多种机制发挥作用，这种多靶点作用模式降低了快速产生耐药性的可能性。然而，微生物的适应性反应已有报道，包括金属外排泵表达增加、生物膜形成及抗氧化防御系统增强，这些机制可能降低长期暴露下的纳米颗粒敏感性。为缓解耐药性发展，已提出多种策略。一种有前景的方法是将金属纳米颗粒与传统抗生素联用，可产生协同抗菌效应，例如银纳米颗粒与氨苄西林或四环素联用，已显示出对耐药菌株增强的抗菌效力。另一种策略是设计包含多种金属组分的多功能纳米颗粒（如Ag-Cu或ZnO-TiO2复合材料），可在降低所需剂量的同时增强抗菌效力。持续开展纳米颗粒-微生物相互作用研究对于更好地理解耐药机制并开发更可持续的抗菌技术至关重要。将纳米颗粒与抗生素联用或设计多功能纳米复合材料可降低耐药可能性并增强抗菌效力。纳米材料向临床应用转化需要严格评估安全性、可重复性，并符合生产标准。监管机构要求详细表征纳米颗粒的粒径分布、化学成分及生物相互作用。面临的挑战包括规模化生产、长期稳定性、监管审批及成本效益，解决这些问题对于成功实施临床应用至关重要。
9 金属基纳米材料的结构-活性关系
理解纳米颗粒结构与生物活性之间的关系对于优化治疗效果至关重要。结构-活性关系描述了理化性质的变化如何影响生物相互作用。
9.1 粒径：生物利用度与毒性的双重决定因素
粒径强烈影响抗菌效率与细胞摄取。较小纳米颗粒表现出更强的表面反应活性及穿透细菌细胞壁的能力，从而提高抗菌效力。然而，过小的颗粒也可能增加对哺乳动物细胞的毒性。粒径是同时调控细胞摄取、溶解动力学及ROS生成的主要决定因素。低于20 nm的纳米颗粒通常因内吞途径及表面反应活性增强而表现出更强的细胞内化能力，但这一特性也常导致与失控离子释放及氧化应激相关的细胞毒性升高。在Ag与Cu等金属体系中，粒径减小显著加速离子溶解（Ag+、Cu2+），直接增强抗菌效力，但也增加了对哺乳动物细胞的非选择性毒性。相比之下，ZnO与TiO2等金属氧化物纳米颗粒则表现出受粒径调控的表面缺陷密度与氧空位浓度，这直接影响光催化ROS生成而非简单的离子释放。因此，尺寸调控代表了生物效能与生物相容性之间的权衡，且这种权衡具有强烈的材料依赖性。
9.2 形貌与晶面工程
形貌也起着关键作用。与球形纳米颗粒相比，纳米棒、纳米片及纳米星因具有更高的表面各向异性，能够与微生物膜发生更强的相互作用并提升催化活性。纳米颗粒的形貌决定了活性表面位点的可及性及反应晶面的空间分布。棒状、星状及片状等各向异性结构因具有更多的膜接触点及尖锐边缘处的局域电场增强效应，表现出比球形颗粒更高的抗菌活性。例如，ZnO纳米棒与TiO2纳米片暴露的高能晶面有利于电子转移反应及生理或光激活条件下的ROS生成。相反，球形纳米颗粒因表面缺陷密度较低而更稳定但反应活性更低。这凸显了形貌不仅仅影响几何结构，更直接决定了催化与生物反应活性。
9.3 表面电荷与界面生物相互作用
表面电荷关键调控着与带负电的细菌膜的静电相互作用（源于磷脂与脂多糖）。带正电的纳米颗粒表现出更强的细菌粘附与膜破坏能力，从而提高抗菌活性。然而，这一特性也促进了单核吞噬细胞系统（mononuclear phagocyte system, MPS）的快速调理作用与清除，缩短了全身循环时间。中性或聚乙二醇化纳米颗粒表现出更好的胶体稳定性与更低的蛋白吸附，但通常直接抗菌效应较弱。因此，表面电荷调控是控制生物活性与全身稳定性平衡的关键参数。表面电荷决定了与生物膜的静电相互作用，带正电的纳米颗粒因对带负电的细菌表面亲和力更强，往往表现出更强的抗菌效应。最后，表面功能化显著改变了纳米颗粒在生物环境中的行为，功能涂层可增强稳定性、减少团聚并改善对特定组织或病原体的靶向能力。通过系统调控这些结构参数，可设计出具有优化抗菌与抗氧化性能的金属基纳米材料。
9.4 金属纳米颗粒体系与金属氧化物纳米颗粒体系的区别
必须明确区分金属纳米颗粒（Ag、Cu、Au）与金属氧化物体系（ZnO、TiO2、CeO2），因为它们的生物机制存在根本差异。金属纳米颗粒主要通过直接离子释放（Ag+、Cu2+）、膜破坏及与蛋白质中巯基结合发挥抗菌作用。相比之下，金属氧化物则通过ROS生成（光催化或氧化还原驱动）、氧空位介导的电子转移及酶模拟抗氧化活性（尤其是CeO2）发挥作用。例如，CeO2表现出双重抗氧化/促氧化行为，取决于Ce3+/Ce4+比例，使其生物响应具有情境依赖性，这与主要发挥细胞毒性的Ag纳米颗粒不同。这种机制差异解释了为何相似的理化参数在不同材料类别中可能导致截然不同的生物结果。
9.5 整合的结构-活性框架
总体而言，纳米颗粒的生物活性不能归因于单一参数，而是源于粒径、形貌、表面电荷及材料组成的相互作用。这些参数共同决定了细胞摄取效率、ROS生成通路、蛋白冠形成及溶解/离子释放动力学。因此，统一的结构-活性关系模型需要同时考虑理化与组成变量，而非孤立的描述符。
10 过渡金属在医学应用中的实践
10.1 银
银是公认的抗菌剂，广泛用于伤口敷料、医疗器械涂层及外用软膏。其抗菌机制包括破坏细菌细胞膜、与酶及DNA中的巯基相互作用以及诱导ROS生成导致氧化应激。应用包括用于伤口愈合与烧伤治疗的银纳米颗粒及用于预防医院感染的银涂层导管。扫描电镜观察显示，大肠杆菌与铜绿假单胞菌经银纳米颗粒处理后，形态发生明显的浓度依赖性改变。未处理对照组中，两种细菌均呈现完整的细胞壁、光滑表面及清晰的形态，这是健康细胞的特征。经50 µg mL-1银纳米颗粒处理后，出现结构应激的早期迹象，包括表面粗糙化、局部凹陷及细菌包膜的部分变形。在100 µg mL-1的高浓度下，两种菌株均出现严重的细胞损伤，细胞塌陷、皱缩、碎裂，伴有明显的膜破裂迹象，导致胞内成分泄漏及细胞碎片产生。银纳米颗粒聚集体可见与受损细胞紧密关联，提示纳米颗粒对细菌表面的强粘附作用。这些形态学破坏与银纳米颗粒同细胞膜的直接物理相互作用、细胞壁不稳定化及通过活性氧生成诱导氧化应激的机制一致，最终导致细胞死亡。
10.2 硒
硒是参与抗氧化防御与免疫调节的必需微量元素。其抗氧化机制是作为谷胱甘肽过氧化酶的辅因子，中和过氧化氢与脂质过氧化物，并调节细胞内的ROS生成。应用包括用于氧化应激相关疾病的硒纳米颗粒及改善植入体生物相容性的硒基涂层。硒纳米颗粒对大肠杆菌、蜡样芽孢杆菌及金黄色葡萄球菌的抗菌活性评估显示，三种浓度（50、75及100 µL）下抑菌圈直径均随纳米颗粒浓度增加而增大，表明存在明确的剂量依赖性抗菌效应。最低测试浓度（50 µL）下，金黄色葡萄球菌抑菌圈最大（37 mm），其次为蜡样芽孢杆菌（13 mm）及大肠杆菌（11 mm），提示革兰阳性菌金黄色葡萄球菌对该纳米颗粒最敏感，而革兰阴性菌大肠杆菌在该浓度下敏感性最低。75 µL浓度下，抑菌圈增至46 mm（金黄色葡萄球菌）、24 mm（蜡样芽孢杆菌）及19 mm（大肠杆菌），蜡样芽孢杆菌与大肠杆菌的抑菌圈增幅更为明显，表明硒纳米颗粒浓度升高后效力增强。最高测试浓度（100 µL）下，金黄色葡萄球菌仍保持最大抑菌圈（51 mm），其次为蜡样芽孢杆菌（33 mm）及大肠杆菌（25 mm）。结果证实硒纳米颗粒具有强抗菌特性，对革兰阳性菌的效力高于革兰阴性菌株，这可能源于细胞壁结构与通透性的差异。
10.3 铜
铜兼具促氧化与抗菌活性，适用于伤口护理与抗菌表面。其抗菌机制包括催化芬顿样反应生成ROS，以及通过直接离子相互作用破坏细菌膜。应用包括用于伤口愈合凝胶的铜纳米颗粒及用于医疗器械防污与生物膜抑制的铜涂层。扫描电镜分析提供了铜纳米颗粒对大肠杆菌抗菌活性的直接证据，对照组细胞保持典型的杆状形态，表面光滑完整，反映细胞壁完整性正常；暴露于铜纳米颗粒后，细菌细胞出现严重的结构改变，包括细胞壁变形、收缩及表面塌陷。这些形态学损伤强烈提示铜纳米颗粒破坏了膜完整性，导致胞内成分泄漏并最终引起细胞死亡，这与铜纳米颗粒通过物理破坏细菌包膜及氧化应激介导的细胞毒性发挥抗菌作用的机制一致。
10.4 钛
钛因优异的生物相容性与耐腐蚀性，被广泛应用于骨科与牙科植入体。其抗菌机制包括TiO2在紫外或可见光下的光催化ROS生成，以及TiO2纳米管表面修饰增强的杀菌活性。应用包括具有抗菌与骨整合涂层的钛基植入体及用于光动力抗菌疗法的TiO2纳米颗粒。TiO2纳米颗粒与阿莫西林联用对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抗菌活性评估显示，抑菌圈直径随TiO2纳米颗粒浓度增加而增大，证实存在浓度依赖性抗菌效应。400 µg mL-1浓度下，大肠杆菌抑菌圈为10.3 mm，金黄色葡萄球菌为11.3 mm；浓度升至600 µg mL-1时，大肠杆菌增至11.3 mm，金黄色葡萄球菌增至12.6 mm；最高测试浓度（1000 µg mL-1）下，大肠杆菌达11.6 mm，金黄色葡萄球菌达最大抑菌圈13.3 mm。结果表明TiO2纳米颗粒对革兰阳性菌金黄色葡萄球菌的抗菌活性高于革兰阴性菌大肠杆菌，这可归因于细菌细胞壁的结构差异：金黄色葡萄球菌厚的肽聚糖层更易被TiO2纳米颗粒生成的ROS破坏，而大肠杆菌的外层脂多糖屏障则提供了部分保护。总体而言，TiO2纳米颗粒与阿莫西林的协同效应显著增强了浓度依赖性的抗菌性能，对金黄色葡萄球菌的疗效更佳。
11 兼具抗氧化与抗菌活性的金属氧化物
金属氧化物为医用应用提供了更好的稳定性、可控离子释放及可调表面性质。AgO对革兰阳性与革兰阴性菌均高度有效，常用于缓释伤口敷料；SeO2表现出氧化还原循环并模拟酶抗氧化通路；CuO诱导细菌氧化应激，可有效破坏生物膜；TiO2提供抗菌活性所需的ROS生成及紫外触发的抗氧化响应。具有高抗氧化活性的纳米颗粒（如CeO2）往往具有中等抗菌特性，而具有强抗菌活性的纳米颗粒（如Ag2O、ZnO、CuO）通常表现出较弱的抗氧化效应。这表明可根据所需的治疗功能（抗氧化防御、抗菌治疗或双功能杂化系统）选择材料，定制金属氧化物纳米颗粒的生物医用应用。
11.1 抗氧化活性
纳米颗粒因独特的特性及清除自由基的高效性，在抗氧化剂领域备受关注。其中CeO2纳米颗粒因其卓越的抗氧化能力而脱颖而出，这归因于其能够在Ce3+与Ce4+氧化态之间循环，模拟超氧化物歧化酶与过氧化氢酶等天然抗氧化酶的功能，从而表现出显著的自由基清除效率。ZnO纳米颗粒也表现出强抗氧化特性，具有突出的自由基清除能力与可观的抗氧化指数，可有效对抗氧化应激。相比之下，TiO2与Fe3O4纳米颗粒仅表现出中等抗氧化效应，TiO2纳米颗粒利用光催化机制调控ROS，而Fe3O4纳米颗粒在特定化学或磁刺激下激活以表现抗氧化行为。MgO与CuO纳米颗粒表现出轻度至中度的自由基清除能力，其中CuO纳米颗粒对羟基与超氧自由基特别有效。Ag2O纳米颗粒本征抗氧化活性较弱，但其有效性可通过掺杂或表面修饰等技术得到提升。总体而言，这些纳米颗粒广泛的抗氧化活性暗示了其在多种生物医用与环境领域的应用潜力，凸显了进一步优化其氧化应激管理应用的必要性。
11.2 抗菌活性
本研究调查了多种金属氧化物纳米颗粒的抗菌特性，重点关注其对包括多重耐药菌株在内的多种细菌的效力。研究表明Ag2O与ZnO纳米颗粒是最强的抗菌剂，表现出广谱有效性，其抗菌机制包括ROS生成、金属离子（银或锌）释放及蛋白质与酶失活。CuO与MgO纳米颗粒也具有较高的抗菌活性，CuO通过诱导氧化应激与脂质过氧化对革兰阴性与革兰阳性菌均有效；MgO纳米颗粒被证明尤其靶向革兰阴性菌，利用静电结合与创造碱性胁迫条件发挥作用。TiO2纳米颗粒的抗菌效率中等，但在紫外照射下因光催化效应导致ROS生成增加而显著增强。CeO2纳米颗粒虽表现出强抗氧化特性，但对细菌的效力仅为中等，且主要对革兰阳性菌更有效，表明需要在ROS清除能力与直接抗菌作用之间取得平衡。最后，Fe3O4纳米颗粒在未修饰状态下被确定为效力最低的制剂，其抗菌能力在与表面功能化结合后得到显著提升，强调了化学修饰在增强纳米颗粒效力方面的重要性。
12 机制深入解析
本文探讨了ROS在抗菌应用中的复杂行为，强调ROS的双重角色：一方面，过量ROS生成增强了TiO2、ZnO、CuO及Ag2O等抗菌材料的效力；另一方面，CeO2等纳米颗粒利用清除ROS的能力表现出抗氧化特性。文章还强调了离子释放的重要意义，特别是对于Ag+、Zn2+及Cu2+等金属离子，指出这些带正电的离子会破坏细菌的基本细胞过程与生物分子，从而促进细菌抑制。此外，内容指出MgO与CeO2等纳米颗粒的表面电荷相互作用也参与了其抗菌活性，TiO2纳米颗粒的光催化效应同样实现了多样的生物活性。总体而言，本研究解析了利用材料对抗细菌感染时所涉及的多种机制。
13 结论
过渡金属及金属氧化物纳米颗粒代表了一类极具通用性与可调性的纳米材料，在应对微生物耐药与氧化应激相关疾病两大生物医用挑战方面潜力巨大。本综述表明，其生物效能并非单纯由本征属性决定，而是强烈受粒径、形貌、表面电荷及功能化等理化参数调控，这些参数共同定义了其与生物系统的相互作用方式。因此，建立清晰的结构-活性关系对于理性设计下一代纳米治疗药物至关重要。本研究的一个关键洞见是活性氧的双重甚至相互竞争的角色：增强的ROS生成是强效抗菌活性的基础，而受控的ROS清除对于抗氧化与细胞保护功能则不可或缺。这种固有的权衡凸显了设计能够实现抗菌效力与生物相容性精确平衡的多功能或杂化纳米材料的必要性。在开发先进的合成与表面工程策略（特别是绿色合成与生物功能化方法）方面已取得显著进展，这些方法改善了安全性与环境可持续性。然而，重大挑战依然存在，包括纳米颗粒诱导的毒性、生物蓄积、生物反应变异性及缺乏标准化评估方案。此外，微生物对金属基纳米材料产生耐药性的潜在风险，要求开发纳米颗粒-抗生素联用及多金属体系等协同策略。未来研究应优先开展系统的体内与长期毒性研究、可规模化与可重复的合成方法开发、智能刺激响应与靶向纳米平台构建，以及严格的监管框架制定以促进临床转化。将纳米技术与生物医用工程、材料科学及分子生物学相融合，对于充分释放这类系统在医疗领域的全部治疗潜力至关重要。总体而言，本综述提供了全面且具有前瞻性的视角，不仅整合了当前知识，还为开发安全、高效且具有临床相关性的现代金属基纳米材料明确了战略方向。
