在追求清洁能源与先进生物医学技术的浪潮中，钙钛矿纳米材料以其卓越的光电性能脱颖而出，成为太阳能电池、发光二极管、生物成像与靶向治疗等领域的明星材料。然而，其生物毒性严重制约了其大规模安全应用与临床转化。近日，中国医科大学冯雪松教授、中国科学院高能物理研究所谷战军研究员与陆军军医大学徐海伟教授共同在材料科学顶级期刊《Materials Today》上发表了题为“Toxicity and biosafety optimizing in perovskite nanomaterials”的综述研究。该工作对钙钛矿纳米材料的生物毒性成因、作用机制、器官特异性损伤效应及全链条安全优化策略开展系统性梳理与深度剖析，揭示了钙钛矿纳米材料在生物体内的毒理学规律，对从材料设计、制备工艺到风险评估、安全管控体系进行全面阐述（见图1），为推动钙钛矿纳米材料的安全应用与产业化落地提供了重要指引。

图1 钙钛矿生物安全性的研究方向

一、钙钛矿纳米材料的毒性来源

钙钛矿材料以其经典的ABX₃晶体结构和高度可调的组分，在光伏和生物医学等领域展现出优异的性能。然而，这份卓越的性能清单背后，隐藏着不容忽视的生物安全忧虑。材料的本征不稳定性，尤其是在水、氧及生理环境下的降解，会导致铅离子为主的毒性组分释放。这些释放出的离子并非惰性存在，它们能深入生命系统，扰乱从细胞到器官的多层次生理平衡。

本综述指出，钙钛矿的毒性并非单一因素作用，而是其纳米理化特性与动态生物微环境复杂协同的结果。毒性主要源于两个层面的交织：一是材料化学组分离子的固有毒性；二是纳米尺度特性（如尺寸、形貌、结晶度、表面化学）所调控的离子释放动力学、生物分布及与细胞的相互作用效率。其中，铅离子的毒性机制最为清晰和严峻。Pb²⁺能够模拟Ca²⁺侵入细胞，引发细胞内钙超载，破坏线粒体功能，导致能量代谢崩溃。同时，它能与抗氧化酶的关键巯基结合，使其失活，从而削弱细胞的抗氧化防御能力，导致活性氧（ROS）大量累积。过量的ROS会攻击脂质、蛋白质和DNA，造成氧化损伤和基因突变。此外，Pb²⁺还能干扰细胞内关键的信号通路和酶活性。这些分子层面的扰动，最终汇聚成器官特异性的病理损伤。

二、钙钛矿纳米材料的器官毒性

综述系统总结讨论了钙钛矿纳米材料在生物体内引发的多器官毒性，揭示了材料暴露后的连锁损伤过程。

1、呼吸系统：呼吸吸入是最主要的职业暴露途径，钙钛矿纳米颗粒可直接沉积于肺部，引发肺组织炎症、水肿、纤维化及上皮间质转化，长期低剂量暴露还会诱发慢性肺损伤。

2、心血管与血液系统：进入血液循环后，材料可对心血管系统造成损伤，Pb²⁺诱导心肌细胞凋亡、收缩功能下降。长期的、低剂量的铅暴露已被流行病学研究证实是高血压、动脉粥样硬化等心血管疾病的重要风险因素。此外，铅能抑制血红素合成关键酶，并通过使红细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻，加速衰老红细胞被巨噬细胞清除，从而导致贫血。

3、肝肾损伤：肝脏与肾脏作为人体主要代谢与排泄器官，易发生重金属离子富集，引发肝脂肪变性、肝细胞损伤、肾小管萎缩、肾功能下降等病变。

4、胃肠道毒性：口服摄入是另一重要途径。钙钛矿纳米材料在胃肠道复杂的酸碱环境中发生显著的生物转化。这些转化产物并非随粪便直接排出，而是可积聚在肠粘膜层，破坏肠道紧密连接蛋白，增加肠道通透性，继而破坏肠道屏障完整性、扰乱肠道菌群稳态，引发黏膜损伤、炎症浸润与结肠毒性。

5、中枢神经系统：神经系统是铅离子毒性的敏感靶点，钙钛矿降解产生的Pb²⁺可穿透血脑屏障，经鼻-嗅球-脑通路富集于海马体与大脑皮层，造成神经元损伤、突触功能障碍，引发学习记忆下降、认知损伤，儿童与发育阶段个体更为易感。

6、生殖发育与遗传毒性：毒性不仅限于成体。研究表明，铅离子可通过胎盘屏障，造成胚胎发育异常、视网膜分化受阻、器官形成缺陷等生殖与发育毒性，同时对皮肤、黏膜、造血系统等外周组织与系统造成损伤，引发贫血、局部炎症等问题。

三、钙钛矿生物安全性优化策略

针对钙钛矿纳米材料的生物安全风险，研究团队提出了材料工程、绿色工艺、风险评估、政策监管四位一体的全链条安全优化策略。

1、在材料工程层面，以源头减毒为核心，开发无铅双钙钛矿、等价取代、低维结构等替代体系，从根本上消除铅离子毒性；通过表面配体交换、缺陷钝化等修饰技术，抑制离子泄漏；以封装材料构建物理隔离屏障，实现有毒组分与生物环境的隔绝，提升生物安全性。

2、在绿色制造与循环利用方面，推广无溶剂合成、低毒溶剂体系等绿色工艺，减少生产过程中的毒性风险；建立铅离子回收闭环、器件再生利用体系，实现废弃器件中有毒组分的回收与再利用，全生命周期减少泄漏风险。

3、在风险评估与标准体系构建方面，要明确钙钛矿纳米材料的体内外毒性的关键阈值，建立模拟生理环境的降解测试与器官特异性风险评价方法；对接欧盟、美国及中国国家标准，建立针对钙钛矿纳米材料的专项监管框架。建议参考铅酸电池成熟的闭环管理模式，实现全生命周期安全管控。

四、总结

综述表明，钙钛矿纳米材料的生物安全性是一个涉及材料科学、纳米技术、毒理学、医学及环境管理的综合性议题。破解其毒性困局，不能依赖单一技术突破，而需秉持“安全源于设计”的理念，构建从分子层面智能锁铅、到材料层面开发绿色替代、再到产品层面确保封装可靠、最终于系统层面实现循环再生的多层次、全生命周期安全防御体系。唯有通过产学研管各方协同努力，方能使钙钛矿这一革命性材料真正安全地应用。

该工作同时指出了当前钙钛矿纳米材料生物安全研究面临的核心挑战：长期低剂量暴露的毒理学研究，复杂生理环境下的降解，材料安全筛选方法以及专项风险评估。面向未来，研究团队提出几个方向：研发智能封装体系实现材料的可控稳定；利用类器官模型实现更贴近人体生理的毒性评价；借助人工智能与机器学习实现材料的快速设计与筛选；推动全球统一的钙钛矿生物安全标准制定；深化无铅、可降解钙钛矿材料研发。这些努力将进一步实现性能与安全性的协同提升。