在过去几十年中，纳米材?逐渐应用于多个行业，并为材?科学研究开辟了新视野，因为与较大尺寸材?相比，纳米材?具有高表面积和其他非常独特的物?、化学和生物特性。

氧化锌纳米粒子(ZnO?NPs)是最常用的金属氧化物纳米粒子，能为化学反应和生物合成提供有效的光催化和光氧化作用。这些特殊的光学和化学性质可以通过改变形态和宽带隙(3.37eV)和高激发结合能(60meV)来调整。

氧化锌纳米粒子对人体的毒性较小，并具有生物相容性，因为Zn离子是ZnO的一种可溶形式，且是人体生理系统内的微?元素。实验证实ZnO在体相和纳米颗粒形式下都具有生物降解性，还能破坏细菌的细胞膜来对细胞内的细菌进行杀灭。

目前ZnO?NP的一些潜在应用包括：治疗载体、生物传感、基因转移、纳米医学发现、生物标记、医用植入物涂层、电子传感器、废水处?和通信等。

就生物应用而言，含有氧化锌和羟基磷灰石的医用植入物涂层表现出了抗菌和骨传导特性，证明了ZnO?NPs在治疗诊断中的潜?。在人类癌细胞中，ZnO?NPs也能表现出细胞毒性，通过细胞凋亡途径杀死癌细胞。

ZnO?NPs能显著影响水平基因转移，例如ZnO可以干扰枯草芽孢杆菌的转化效率，并且在最低抑制浓度下，可有效降低金黄色葡萄球菌的生物膜形成和基因表达速率。另外，ZnO?NPs可以降低人体内羟脯氨酸、肌酐、尿素和尿酸的含量，从而减缓肝纤维化和肾毒性。

ZnO?NPs的生物活性

由于抗生素滥用，细菌的耐药性也在不断加强。如果不能减缓这种情况，细菌可能会对人类生命构成严重威胁。世界各国的卫生系统也在努力应对这种情况。

ZnO?NPs具有显著的光氧化和光催化特性，其卓越的抗菌性能使其被公认为是抗MDR的有效药物。

尽管ZnO?NPs的抗菌作用机制尚未完全确定，但其特性（例如锌离子和ROS的生成）被广泛认为能提供氧化应激、DNA损伤以及光催化活性，从而有助于提高抗菌功效（图1)。

根据现有研究，ZnO的氧退火处理能增加表面的氧原子数?，提升氧原子的吸附能力和光催化活性，有助于提升抗菌功效。此外，ZnO-NPs会导致细胞质收缩和细胞壁破裂，从而导致细胞质溢出（图2）。

实验证实，作为一种有效的杀菌剂，ZnO-NPs可以对抗革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，并且被发现可与细菌的细胞壁直接相互作用，对细菌壁完整性造成破坏。

图1

图2

ZnO?NPs的抗真菌特性已在各种研究中被发现，其杀真菌活性取决于材料的结构、大小和浓度。人们研究了用生物法制造的ZnO?NPs对白色念珠菌分离株的抗真菌效?，结果表明它们对耐药性白色念珠菌分离株的抗菌很有效。

实验发现，较低浓度的ZnO?NP可保护大蜡螟免受白色念珠菌的感染，证实其可用于预防性治疗。与2%浓度的商业抗真菌霜相比，同样浓度的ZnO?NP冷霜的抗真菌抗性更强，可有效抑制念珠菌临床分离株的活性。

ZnO?NP对曲霉菌和青霉菌也都具有抗真菌活性，其对须癣毛癣菌和疣状毛癣菌的抗菌性也得到证实。同样，大豆分离蛋白(SPI)、肉桂醛(CIN)和ZnO?NPs的生物纳米复合膜在SPI、SPI?CIN和SPI?ZnO?NPs三种膜中表现出最高的抗真菌活性。

ZnO?NPs的抗菌强度比SPI?ZnO薄膜高1.56倍，比SPI?CIN薄膜强1.24倍。

针对灰葡萄孢菌和扩展青霉菌这两种致病真菌的研究的表明，ZnO?NPs的抗真菌活性也取决于纳米颗粒浓度。随着ZnO?NP浓度从3mM增加到12mM，ZnO?NP的抗菌功效会增加。

通过影响细胞功能，ZnO-NPs会导致真菌菌丝变形，从而抑制灰葡萄孢的生长。同样，ZnO-NPs也能阻止扩展青霉分生孢子的形成，导致真菌菌丝死亡。从灰葡萄孢中检测到的活性显示，ZnO-NPs光激活越强，抗菌活性越大。

与其他金属氧化物的纳米颗粒相比，ZnO?NP对癌细胞具有更显著影响。ZnO?NPs的抗癌潜?受其形状、大小和浓度影响较大。人们已经发现，NPs的尺寸越小，浓度越高，ZnO抗癌活性越大。

ZnO?NP对MCF7人乳腺癌细胞显示出与浓度强相关的抗癌活性，其中ZnO?NP在100?g/mL时对癌细胞的增殖抑制率达到93%。同样，在人胰腺癌细胞系PNAC?1和AsPC?1中，ZnO?NPs表现出与浓度依赖性相关的增殖抑制。

通过MTT测定发现，ZnO?NP对人正常成纤维细胞系(Hu02)的影响相对较小。

ZnO?NP抗癌活性背后的生物机制，如图3所示。这包括NPs产生足够的ROS以引起大?氧化应激、DNA损伤和对细胞中脂质和蛋白质的干扰。此外，ZnO?NPs氧化还原反应系统的建立和细胞对ZnO?NPs的促炎反应都会诱导细胞凋亡。

区分癌细胞和正常细胞一直是研发抗癌药物的主要挑战。无法实现选择性的药物会导致人体全身受到伤害。

一些研究揭示了ZnO?NPs对癌细胞具有选择性。在Jurkat癌细胞的治疗中，ZnO?NPs对正常CD4+T细胞的毒性最小，而对Jurkat癌细胞则有选择性的凋亡作用。研究发现，ZnO?NPs对癌细胞的特异性细胞毒性是正常细胞的28?35倍。

图3

ZnO?NPs在人体内具有抗炎活性。人体的炎症反应是一个复杂的过程，涉及免疫系统的激活和促炎细胞因子的释放，如白细胞介素、INFγ和粒细胞?巨噬细胞集?刺激因子(GMS?CF)（图4）。

核转录kappaB因子(NF?κβ)是一种关键转录因子，可调节许多编码促炎介质（如COX?2和iNOS）的基因表达，从而增加促炎介质（如PGE2和一氧化氮）。ZnO?NPs可用作抗炎剂，抑制促炎细胞因子的释放和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的表达。

通过调节剂?，ZnO?NPs可以抑制促炎细胞因子的mRNA表达。当掺杂铝时，ZnO?NPs已被证明可以减少肥大细胞中胸腺基质?巴细胞生成素(TSLP)的产生和caspase?1的激活，从而降低促炎细胞因子IL?1的表达。

在ZnO?NPs和ZnO标准形式的比较研究中，研究发现，当在腹膜内给药时，ZnO?NPs相对降低了角叉菜胶引起的爪水肿，并增强了非甾体抗炎药酮洛芬的抗炎活性。

图4

由于ZnO?NPs具有强大的抗氧化活性，它们可以在清除含氧自由基方面发挥用途，甚至可能具有心脏保护作用。

含氧自由基是由快餐中常见的脂质过氧化物(LPO)产生，通常由多种调味剂/漂白剂组成。例如味精(MSG)就是一种过氧化物，其对心脏、肝脏、肾脏、睾丸、胰腺有多种?良影响。

人的大脑和其他组织和器官出现炎症迹象时，可使用ZnO?NPs清除这些自由基，以减少由脂质过氧化物的活性氧自由基产生的氧化应激?利影响。

ZnO?NPs对糖尿病具有治疗改善作用。糖尿病是一种以持续性高血糖为特征的代谢紊乱。人们已发现锌元素在胰岛素的产生、储存和分泌中具有重要作用。此外，锌还通过PI3K活性的升高、胰岛素受体酪氨酸的磷酸化和糖原合酶激酶的抑制等途径改善胰岛素信号传导。

据报道，锌的胰岛素模拟活性可增强脂肪生成，并减少脂肪细胞释放的非酯化脂肪酸。与比其他金属纳米颗粒相比，ZnO?NPs经常被用于抗糖尿病治疗，这是因为ZnO?NPs能增强细胞渗透，提升胰岛素水平，从而增加GLUT?4和INS基因的表达。

ZnO?NPs通常可以用物?方法、化学方法和生物方法合成。这些方法分位自上而下或自下而上两种（图5）。自上而下是指将较大的颗粒切割、研磨或磨损，直到形成纳米级大小的材料颗粒，这种方式经常用于制备小规模的纳米粒子。

自下而上的方法是利用化学和物?方法收集已经微型化的材料原子/分子来合成纳米粒子，这种方法比自上而下的制备成本更低，生产时间更短。

图5

常用的物理方法包括球磨、溅射、物理气相沉积、激光烧蚀、离子注入和电弧沉积，其原理是利用物?作用力产生纳米级颗粒。

球磨是一种非平衡现象，其中较大尺寸的材料与高能球碰撞而被球磨机粉碎。球磨工艺生产效率高，生产流程简单且成本低、效益高。例如在一项ZnO-NPs抗菌效果的研究中，研究人员利用15个周长为20mm的球体粉碎ZnO颗粒，制备了效果不错的纳米材料。

激光烧蚀法是指利用激光束作为能量源，去除固体和液体界面上颗粒的过程。研究表明毫秒脉冲激光烧蚀技术能够生产棒状结构的ZnO-NP材料，其长度范围为40至110nm，平均直径为30nm。

物理气相沉积也是一种常用的方法，其中金属涂层表面的沉积过程涉及两种现象，即蒸发和溅射。

溅射是通过用等离子离子撞击高能粒子从表面排出粒子的过程。

热蒸发是另一种物理方法，其中粉末状或浓缩产品被加热到更高的温度出现蒸发，蒸汽然后在受控条件下冷凝形成?想的纳米粒子。

合成ZnO?NPs的化学方法按照材料的物?状态，可分位固相合成、液相合成和气相合成三种成法。液相合成是一种广泛使用的方法，也是气相合成的可行替代方法。

对于液相合成，可以使用溶胶-凝胶法、胶体法、沉淀法和共沉淀法、微乳液法、水热合成法、溶剂热法和声热法，而惰性气体冷凝法和热解可用于气相合成。

溶胶?凝胶法是将制备好的胶体溶液（溶胶）通过水解、缩合和聚合反应转化为凝胶的过程。乙醇中的醋酸锌水合物是合成ZnO?NPs最常用的前体。科学家已经通过溶胶?凝胶法合成了尺寸50nm的纯且均匀的刺状ZnO?NPs。

类似地，沉淀和共沉淀方法将无机碱用作还原剂与锌盐反应形成沉淀。例如氢氧化钠和七水硫酸锌用作前体，通过调整反应条件形成沉淀物，洗涤后在必要的温度下进行煅烧，就会产生具有所需形状、尺寸和特性的纳米粒子。

惰性气体冷凝是一种主要的气相合成技术。它使用各种热源（例如电子和激光束或无线电频率）在耐热室内蒸发锌，然后通过将蒸汽迁移到包含惰性气体的冷却室来冷凝蒸汽。

基于催化剂，这种方法分为两类：没有催化接触的物?气相沉积和有催化剂相互作用的化学气相沉积。这个方法的典型缺点是可能导致纳米粒子的团聚和聚结。

关于绿色合成技术，术语“生物合成”和“绿色合成”经常互换使用。然而，要使生物合成成为绿色技术，则要满足绿色化学的基本原则，如环境友好、?使用有毒化学品、减少衍生化、能源消耗、废物等。

根据行业定义，绿色合成是指将细胞提取物（微生物、植物、真菌、藻类等）添加到由生物制造的基质中来合成纳米颗粒的过程。绿色合成是无害的，符合绿色化学的原则。

这些方法具有生物相容性、成本效益、大规模生产率、生态友好性、?含危险化学品和?良反应条件等优点，因此是传统物?和化学方法的有吸引?的替代方法。

从微生物和植物中提取植物化学物质，利用这些植物化学物质充当还原剂，可消除对工业的依赖化学品。相反，如果使用合成化学品/溶剂来辅助还原?稳定过程或在绿色合成中维持pH值，则这种合成?适合描述为生化合成。