DOI: https://doi.org/10.1007/s44509-026-00006-2
تاريخ النشر: 2026-03-02
المؤلف: Shoaeb Mohammad Syed وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجسيمات النانوية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على النانو-تكنولوجيا الحيوية، مع التركيز بشكل خاص على التخليق الأخضر للجزيئات النانوية، والذي يدمج النانو-تكنولوجيا مع العلوم البيولوجية. تستخدم هذه الطريقة الكيانات البيولوجية—مثل النباتات، والبكتيريا، والفطريات، والطحالب—كعوامل تقليل وتثبيت طبيعية، مما يقلل الاعتماد على المواد الكيميائية السامة والظروف القاسية المرتبطة عادةً بطرق التخليق التقليدية. تقوم المراجعة بتقييم التقدم في تصنيع الجزيئات النانوية بمساعدة النباتات والميكروبات، مناقشة آليات التكوين، وتأثير المكونات البيولوجية على خصائص الجزيئات، وتقنيات التوصيف. كما تقيم التطبيقات الوظيفية لهذه الجزيئات النانوية التي تم تخليقها بشكل أخضر عبر المجالات الطبية والزراعية والحفزية والبيئية، مع تسليط الضوء على إمكانياتها في التحفيز الضوئي وتفكيك الملوثات.
في الختام، تؤكد المراجعة على وعد مستخلصات النباتات، والميكروبات، والطحالب كمنصات مستدامة لإنتاج الجزيئات النانوية، مما ينتج جزيئات نانوية معدنية وأكسيد معدني متنوعة مع توافق حيوي معزز مناسب للتطبيقات الطبية. يتم ملاحظة القدرة على التحكم في خصائص الجزيئات النانوية من خلال الأنظمة البيولوجية، مع تسليط الضوء بشكل خاص على الطحالب من حيث فعاليتها من حيث التكلفة وقدرتها على تراكم المعادن. تعتبر تقنيات التوصيف الشاملة ضرورية لإقامة علاقات الهيكل-الخاصية وضمان اتساق المنتج. تؤكد المراجعة على أهمية التقييمات النظامية للسلامة، والامتثال التنظيمي، واستراتيجيات التصنيع القابلة للتوسع لتسهيل انتقال التخليق الأخضر من المختبر إلى التطبيقات الصناعية، مما يضعها كمسار قابل للتطبيق لتطوير المواد النانوية من الجيل التالي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الهام لعلوم النانو وتكنولوجيا النانو في تقدم أبحاث المواد، وخاصة من خلال تطوير المواد النانوية الوظيفية للتطبيقات البيولوجية والزراعية والطبية. تؤكد على ظهور النانو-تكنولوجيا الحيوية كحقل متعدد التخصصات رئيسي يهدف إلى تعزيز الأداء والسلامة والاستدامة للأنظمة البيولوجية. تواجه الطرق التقليدية لتخليق الجزيئات النانوية تحديات مثل متطلبات الطاقة العالية والمنتجات الثانوية السامة، مما يدفع إلى اعتماد تكنولوجيا النانو الخضراء، التي تستخدم عوامل تقليل وتثبيت طبيعية من مصادر بيولوجية مثل النباتات، والبكتيريا، والفطريات، والطحالب. تقدم هذه الأنظمة البيولوجية مزايا مثل انخفاض السمية والتوافق الحيوي، مما يسهل تخليق الجزيئات النانوية ذات التطبيقات المتنوعة، بما في ذلك الأسمدة النانوية، والمبيدات النانوية، والاستخدامات الطبية مثل العلاج المضاد للميكروبات وتوصيل الأدوية.
تناقش الورقة أيضًا التناقضات في بروتوكولات التخليق الحالية وطرق التوصيف، والتي تعيق إمكانية التكرار والمقارنة عبر الدراسات. تؤكد على أهمية نهج منهجي لتخليق الجزيئات النانوية بطريقة خضراء، مع التركيز على التوصيف الهيكلي والوظيفي لفهم العلاقة بين معلمات التخليق وخصائص الجزيئات النانوية بشكل أفضل. بالإضافة إلى ذلك، تهدف المراجعة إلى استكشاف إمكانيات مستخلصات النباتات، وخاصة الطحالب الدقيقة، في إنتاج الجزيئات النانوية، مع فحص آثار الأغطية البيومولكولية التي تتشكل على أسطح الجزيئات النانوية على استقرارها وتفاعلاتها البيولوجية. بشكل عام، تسعى هذه العمل إلى سد الفجوات الموجودة في الأدبيات، وتعزيز إطار عمل أكثر موثوقية ومعيارية لتطبيقات تكنولوجيا النانو الخضراء في مجالات متنوعة.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على الاهتمام المتزايد في طرق التخليق الأخضر للجزيئات النانوية المشتقة من النباتات والميكروبات. تلغي هذه الطريقة الصديقة للبيئة الحاجة إلى المواد الكيميائية الخطرة، باستخدام مستخلصات طبيعية غنية بالمواد الكيميائية النباتية (مثل البوليفينولات، والفلافونويدات) أو إنزيمات ميكروبية لتقليل أيونات المعادن وتثبيت الجزيئات النانوية تحت ظروف معتدلة. تشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر على الحجم، والشكل، واستقرار الجزيئات النانوية تركيبة مستخلصات النباتات، ودرجة الحموضة، ودرجة الحرارة، وتركيز أيونات المعادن. يؤكد القسم على أن كل من الأنظمة النباتية والميكروبية يمكن أن تنتج جزيئات نانوية متوافقة حيويًا مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الطبية، مع تقديم الميكروبات مزايا في قابلية التوسع والتحكم في خصائص الجزيئات.
تناقش الورقة أيضًا التطبيقات المحددة لمختلف الجزيئات النانوية، مثل جزيئات الذهب (Au)، والفضة (Ag)، والنحاس (Cu)، والبلاتين (Pd)، مشيرة إلى خصائصها الفريدة وإمكاناتها في مجالات مثل الطب، والتحفيز، وإعادة تأهيل البيئة. تُعرض طرق التخليق الأخضر كبدائل فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة للتقنيات التقليدية، التي غالبًا ما تتضمن مواد كيميائية سامة واستهلاك طاقة مرتفع. تشمل عملية التخليق عادةً اختيار عامل تقليل متوافق حيويًا، وتحضير محلول مسبق، وتحسين ظروف التفاعل لتحقيق الخصائص المرغوبة للجزيئات النانوية. يختتم القسم بالتأكيد على أهمية البحث المستمر في منهجيات التخليق الأخضر لتعزيز الممارسات المستدامة في تكنولوجيا النانو ومعالجة القضايا البيئية.
القيود
يسلط قسم القيود الضوء على عدة تحديات مرتبطة بالتخليق الأخضر للجزيئات النانوية، والتي يجب معالجتها لتعزيز إمكانية التكرار والتطبيق الأوسع. تعتبر مسألة رئيسية هي توحيد المصادر البيولوجية، حيث يمكن أن تختلف التركيبة الكيميائية لمستخلصات النباتات والمواد الأيضية الميكروبية بشكل كبير بسبب عوامل مثل الأنواع، وظروف النمو، والتغيرات الموسمية، وطرق الاستخراج. غالبًا ما تؤدي هذه التباينات إلى عدم اتساق في الحجم، والشكل، والعائد للجزيئات النانوية التي تم تخليقها.
بالإضافة إلى ذلك، فإن تحقيق السيطرة الدقيقة على معلمات التفاعل—مثل درجة الحموضة، ودرجة الحرارة، والتركيز—يواجه صعوبات مقارنةً بالطرق الكيميائية التقليدية، مما قد يؤثر على اتساق الدفعات. غالبًا ما لا تكون الجزيئات البيولوجية المحددة المسؤولة عن التخفيض والتثبيت مفهومة تمامًا، مما يعقد تحسين عملية التخليق. تشمل التحديات الأخرى الحفاظ على النشاط البيولوجي، وإدارة التلوث في الأنظمة الميكروبية، وضمان الاستقرار طويل الأمد للجزيئات النانوية. يمكن أن تكون عملية تنقية الجزيئات النانوية من المواد البيولوجية المعقدة أيضًا مستهلكة للوقت، مما قد يؤثر على خصائص سطحها. تؤكد هذه القيود على الحاجة إلى تحسين التوحيد، والفهم الميكانيكي، والبروتوكولات القابلة للتوسع لتسهيل التطبيق الصناعي والسريري لطرق التخليق الأخضر.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44509-026-00006-2
Publication Date: 2026-03-02
Author(s): Shoaeb Mohammad Syed et al.
Primary Topic: Nanoparticles: synthesis and applications
Overview
The section provides an overview of nano-biotechnology, particularly focusing on the green synthesis of nanoparticles, which integrates nanotechnology with biological sciences. This approach utilizes biological entities—such as plants, bacteria, fungi, and algae—as natural reducing and stabilizing agents, thereby reducing reliance on toxic chemicals and harsh conditions typically associated with conventional synthesis methods. The review critically assesses advancements in plant-mediated and microorganism-assisted nanoparticle fabrication, discussing the mechanisms of formation, the impact of biological constituents on particle characteristics, and characterization techniques. It also evaluates the functional applications of these green-synthesized nanoparticles across biomedical, agricultural, catalytic, and environmental domains, highlighting their potential in photocatalysis and pollutant degradation.
In conclusion, the review emphasizes the promise of plant extracts, microorganisms, and algae as sustainable platforms for nanoparticle production, yielding diverse metal and metal oxide nanoparticles with enhanced biocompatibility suitable for biomedical applications. The ability to control nanoparticle properties through biological systems is noted, with algae being particularly highlighted for their cost-effectiveness and metal-accumulating capabilities. Comprehensive characterization techniques are essential for establishing structure-property relationships and ensuring product consistency. The review underscores the importance of systematic safety evaluations, regulatory compliance, and scalable manufacturing strategies to facilitate the transition of green synthesis from laboratory to industrial applications, positioning it as a viable pathway for the development of next-generation nanomaterials.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant role of nanoscience and nanotechnology in advancing materials research, particularly through the development of functional nanomaterials for biological, agricultural, and medical applications. It emphasizes the emergence of nanobiotechnology as a key interdisciplinary field aimed at enhancing the performance, safety, and sustainability of biological systems. Traditional methods of nanoparticle synthesis face challenges such as high energy requirements and toxic by-products, prompting the adoption of green nanotechnology, which utilizes natural reducing and stabilizing agents from biological sources like plants, bacteria, fungi, and algae. These biological systems offer advantages such as low toxicity and biocompatibility, facilitating the synthesis of nanoparticles with diverse applications, including nanofertilizers, nano-pesticides, and biomedical uses like antimicrobial therapy and drug delivery.
The paper also addresses the inconsistencies in current synthesis protocols and characterization methods, which hinder reproducibility and comparability across studies. It underscores the importance of a systematic approach to the green synthesis of nanoparticles, focusing on the structural and functional characterization to better understand the relationship between synthesis parameters and nanoparticle properties. Additionally, the review aims to explore the potential of plant extracts, particularly microalgae, in nanoparticle production, while examining the implications of biomolecular coronas formed on nanoparticle surfaces for their stability and biological interactions. Overall, this work seeks to fill existing gaps in the literature, promoting a more reliable and standardized framework for green nanotechnology applications in various fields.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the growing interest in green synthesis methods for nanoparticles derived from plants and microorganisms. This eco-friendly approach eliminates the need for hazardous chemicals, utilizing natural extracts rich in phytochemicals (e.g., polyphenols, flavonoids) or microbial enzymes to reduce metal ions and stabilize nanoparticles under mild conditions. Key factors influencing the size, morphology, and stability of the nanoparticles include the composition of the plant extracts, reaction pH, temperature, and metal ion concentration. The section emphasizes that both plant and microbial systems can produce biocompatible nanoparticles suitable for various biomedical applications, with microorganisms offering advantages in scalability and control over particle characteristics.
The paper also discusses the specific applications of various nanoparticles, such as gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), and palladium (Pd) nanoparticles, noting their unique properties and potential in fields like medicine, catalysis, and environmental remediation. Green synthesis methods are presented as cost-effective and environmentally benign alternatives to traditional techniques, which often involve toxic chemicals and high energy consumption. The synthesis process typically includes selecting a biocompatible reducing agent, preparing a precursor solution, and optimizing reaction conditions to achieve desired nanoparticle characteristics. The section concludes by underscoring the importance of continued research into green synthesis methodologies to advance sustainable practices in nanotechnology and address environmental concerns.
Limitations
The section on limitations highlights several challenges associated with the green synthesis of nanoparticles, which must be addressed to enhance reproducibility and broader application. A primary concern is the standardization of biological sources, as the chemical composition of plant extracts and microbial metabolites can vary significantly due to factors such as species, growth conditions, seasonal changes, and extraction methods. This variability often leads to inconsistencies in the size, shape, and yield of the synthesized nanoparticles.
Additionally, achieving precise control over reaction parameters—such as pH, temperature, and concentration—poses difficulties compared to traditional chemical methods, which can further compromise batch-to-batch consistency. The specific biomolecules responsible for reduction and stabilization are frequently not fully understood, complicating the optimization of the synthesis process. Other challenges include maintaining biological activity, managing contamination in microbial systems, and ensuring the long-term stability of nanoparticles. The purification of nanoparticles from complex biological materials can also be time-consuming, potentially affecting their surface characteristics. These limitations underscore the need for improved standardization, mechanistic understanding, and scalable protocols to facilitate the industrial and clinical application of green synthesis methods.