High-entropy materials (HEMs), composed of 5 or more principal elements in near-equimolar ratios, have emerged as robust, multifunctional platforms for antimicrobial applications. This review introduces the fundamental principles and structural features of HEMs, focusing on their entropy-driven stability and synergistic properties. Four principal antibacterial mechanisms are discussed: controlled-release of biocidal metal ions, efficient photothermal sterilization, catalytic or oxide-mediated generation of reactive oxygen species, and electrostatic interactions resulting in contact killing. Representative studies illustrate how composition and microstructure can be engineered to optimize antimicrobial efficacy without sacrificing material integrity. The review then summarizes recent progress in applying high-entropy antibacterial materials across diverse areas, including biomedical implants and nanozymes for infection control and cancer therapy, self-disinfecting surfaces for public health, advanced catalysts for wastewater treatment, and antifouling, anticorrosion coatings for marine environments. Finally, current challenges, such as the complexity of compositional design and the need for comprehensive biosafety and environmental impact evaluation, are highlighted, alongside future directions involving computational design, multidisciplinary characterization, and scalable manufacturing. High-entropy antibacterial materials, thus, present a transformative strategy for addressing pathogenic threats, offering durable and broad-spectrum protection in a wide range of applications.
随着全球范围内耐药性细菌感染的日益严峻，开发新型高效抗菌材料已成为生物医学领域的迫切需求。高熵材料（HEMs）作为一种由五种或更多主元素以近等摩尔比组成的新兴多组分体系，因其独特的结构特征和卓越的稳定性而备受关注。本综述旨在系统阐述高熵材料的科学原理及其在抗微生物应用中的巨大潜力，重点探讨其基于熵驱动的稳定性机制以及由此产生的协同效应。通过深入分析现有文献，本文试图构建一个关于如何利用高熵材料特性来应对病原菌威胁的理论框架，为下一代抗菌生物材料的设计提供指导方向。
本综述首先介绍了高熵材料的定义及其核心结构特征，即多主元近等摩尔比混合带来的晶格畸变和缓慢扩散效应，这些是维持其高温及恶劣环境下稳定性的关键。文章详细梳理了四种主要的抗菌机制：可控释放杀菌金属离子、高效的光热灭菌作用、通过催化或氧化介导产生的活性氧物种（ROS）生成，以及导致接触式杀死的静电相互作用。研究重点在于如何通过精确调控材料的化学成分和微观结构，在优化其抗微生物效力的同时，确保材料本身的完整性和耐久性不被牺牲，从而实现功能与稳定性的最佳平衡。
综述总结了代表性研究成果，展示了通过成分工程和微结构设计实现抗菌性能显著优化的具体案例。研究发现，高熵材料能够展现出广谱且持久的杀菌活性，这得益于多种机制的协同作用以及金属离子释放的可控性。在生物医学植入物、用于感染控制和癌症治疗的纳米酶等应用中，这些材料表现出优异的生物相容性和治疗潜力；同时，它们在公共健康领域的自消毒表面、废水处理中的高级催化剂以及海洋环境下的防污防腐涂层等方面也取得了突破性进展。科学解释表明，高熵效应赋予了材料独特的电子结构和表面活性位点，使其在复杂环境中仍能保持高效的催化和杀菌能力。
尽管前景广阔，当前该领域仍面临诸多挑战，包括成分设计的复杂性以及对全面生物安全性和环境影响评估的迫切需求。现有的研究多集中于实验室阶段，对于大规模制造过程中的成本控制和质量一致性仍需进一步探索。未来的工作方向将聚焦于计算材料学在组分设计中的应用、多学科交叉的综合表征技术以及可扩展的制造工艺开发。通过解决这些关键问题，高熵抗菌材料有望成为一种变革性的策略，为应对日益复杂的病原菌威胁提供持久且广谱的保护方案，从而在生物医学及环境工程等多个领域发挥重要作用。
Face à l'urgence croissante des infections bactériennes résistantes aux antibiotiques dans le monde entier, le développement de nouveaux matériaux antibactériens efficaces est devenu une priorité absolue pour la communauté biomédicale. Les matériaux à haute entropie (HEM), constitués de cinq éléments principaux ou plus mélangés en proportions quasi équimolaires, émergent comme des plateformes multifonctionnelles robustes capables de répondre à ce défi. Cette revue a pour objectif d'introduire les principes fondamentaux et les caractéristiques structurelles des HEM, en mettant l'accent sur leur stabilité pilotée par l'entropie et leurs propriétés synergiques uniques. En synthétisant les connaissances actuelles, nous visons à établir un cadre théorique solide expliquant comment exploiter ces matériaux pour contrer les menaces pathogènes tout en assurant une protection durable.
L'approche de cette revue repose sur une analyse approfondie des mécanismes antibactériens intrinsèques aux matériaux à haute entropie. Quatre principaux modes d'action sont détaillés : la libération contrôlée d'ions métalliques biocides, la stérilisation photothermique efficace, la génération catalytique ou oxydative de espèces réactives de l'oxygène (ROS), et les interactions électrostatiques entraînant une destruction par contact. Le texte examine comment la composition chimique et la microstructure peuvent être ingénieusement conçues pour optimiser l'efficacité antimicrobienne sans compromettre l'intégrité structurelle du matériau. Cette conception rationnelle vise à maximiser le potentiel de ces matériaux dans des environnements complexes où les agents pathogènes évoluent rapidement.
Les résultats présentés illustrent comment la synthèse et l'ingénierie des HEM permettent d'améliorer considérablement leurs performances antibactériennes. Les études représentatives montrent que ces matériaux offrent une protection large spectre et durable, grâce à la combinaison synergique de plusieurs mécanismes de destruction bactérienne. Leur application s'étend désormais aux implants biomédicaux, aux nanozymes pour le contrôle des infections et la thérapie du cancer, ainsi qu'aux surfaces auto-désinfectantes destinées à la santé publique. De plus, leur utilisation comme catalyseurs avancés dans le traitement des eaux usées et comme revêtements antifouling anticorrosion pour les environnements marins démontre leur polyvalence exceptionnelle face aux défis environnementaux contemporains.
Malgré ces progrès prometteurs, plusieurs défis subsistent avant une adoption généralisée. La complexité de la conception compositionnelle reste un obstacle majeur, et l'évaluation complète de la biosécurité ainsi que de l'impact environnemental nécessite des recherches approfondies pour garantir leur innocuité à long terme. Les perspectives futures incluent le recours au design computationnel pour accélérer la découverte de nouveaux alliages, une caractérisation multidisciplinaire plus poussée, et le développement de procédés de fabrication évolutifs capables de répondre aux besoins industriels. En surmontant ces limitations, les matériaux antibactériens à haute entropie s'annoncent comme une stratégie transformative pour relever les menaces pathogènes actuelles et futures avec une efficacité sans précédent dans divers domaines d'application.
世界中で薬剤耐性菌感染症が深刻化する中、生体医学分野における新規かつ高効率な抗菌材料の開発は喫緊の課題となっています。5種以上の主元素を近等モル比で含有する高エントロピー材料（HEMs）は、その堅牢性と多機能性から抗微生物応用に向けた有望なプラットフォームとして注目されています。本総説では、HEMsの基本原理と構造的特徴を紹介し、特にエントロピー駆動型の安定性と相乗効果に焦点を当てて解説します。既存の研究知見を統合することで、病原体に対する脅威に対処するための理論的枠組みを提供し、次世代抗菌生物材料の設計指針を示すことを目的としています。
本稿では、高エントロピー材料が有する4つの主要な抗菌メカニズムについて詳細に検討します。これらは、殺菌性金属イオンの制御放出、効率的な光熱滅菌作用、触媒または酸化を介した活性酸素種（ROS）の生成、および接触による殺菌をもたらす静電相互作用です。研究では、材料組成と微細構造を精密に設計・制御することで、抗菌効果を最大化しつつ材料自体の完全性と耐久性を損なわない最適化手法が議論されています。このアプローチは、過酷な環境下でも安定性を維持しながら高い抗菌性能を発揮させるための重要な戦略を示しています。
総説では、成分と微細構造のエンジニアリングにより抗微生物能を劇的に向上させた代表的な研究事例を紹介し、その科学的解釈を提供します。高エントロピー材料は、複数のメカニズムが相乗作用することで広範かつ持続的な殺菌活性を示すことが実証されています。これらの特性を活かした応用例として、生体医学インプラントや感染制御・がん治療のためのナノゼーム、公衆衛生向けの自己消毒表面などが挙げられます。さらに、廃水処理における高度な触媒や海洋環境での防汚・耐食コーティングとしての利用も進んでおり、その多様な機能性が確認されています。
しかしながら、この分野には依然として克服すべき課題が存在します。組成設計の複雑さと、包括的な生物安全性および環境影響評価の必要性が特に指摘されています。現在の研究は主に実験室段階に留まっており、大規模製造におけるコストや品質管理についてはさらなる検討が必要です。今後の方向性としては、計算科学を用いた材料設計、多角的な分析手法の開発、そしてスケーラブルな製造プロセスの実現が挙げられます。これらの課題を解決することで、高エントロピー抗菌材料は病原菌への脅威に対処する革新的戦略となり、幅広い応用分野において永続的で広域の保護を提供することが期待されます。
Ante la creciente urgencia de las infecciones bacterianas resistentes a los antibióticos en todo el mundo, el desarrollo de nuevos materiales antimicrobianos eficaces se ha convertido en una prioridad absoluta para la comunidad biomédica. Los materiales de alta entropía (HEM), compuestos por cinco o más elementos principales mezclados en proporciones casi equimolares, han emergido como plataformas multifuncionales robustas capaces de abordar este desafío crítico. Esta revisión tiene como objetivo introducir los principios fundamentales y las características estructurales de los HEM, haciendo hincapié en su estabilidad impulsada por la entropía y sus propiedades sinérgicas únicas. Al sintetizar el conocimiento actual, buscamos establecer un marco teórico sólido que explique cómo aprovechar estos materiales para contrarrestar las amenazas patógenas mientras se asegura una protección duradera.
El enfoque de esta revisión se basa en un análisis exhaustivo de los mecanismos antibacterianos intrínsecos a los materiales de alta entropía. Se detallan cuatro modos principales de acción: la liberación controlada de iones metálicos biocidas, la esterilización fototérmica eficiente, la generación catalítica o mediada por óxidos de especies reactivas de oxígeno (ROS), y las interacciones electrostáticas que conducen a la destrucción por contacto. El texto examina cómo se puede diseñar ingeniosamente tanto la composición química como la microestructura para optimizar la eficacia antimicrobiana sin comprometer la integridad estructural del material, maximizando así su potencial en entornos complejos donde los agentes patógenos evolucionan rápidamente.
Los resultados presentados ilustran cómo la síntesis y el diseño de ingeniería de HEM permiten mejorar significativamente sus prestaciones antibacterianas. Los estudios representativos muestran que estos materiales ofrecen una protección amplia y duradera, gracias a la combinación sinérgica de múltiples mecanismos de destrucción bacteriana. Su aplicación se extiende ahora a implantes biomédicos, nanoenzimas para el control de infecciones y terapia del cáncer, así como a superficies autodesinfectantes destinadas a la salud pública. Además, su uso como catalizadores avanzados en el tratamiento de aguas residuales y como recubrimientos antifouling anticorrosión para entornos marinos demuestra su excepcional versatilidad frente a los desafíos ambientales contemporáneos.
A pesar de estos avances prometedores, existen varios retos antes de una adopción generalizada. La complejidad del diseño composicional sigue siendo un obstáculo mayor, y la evaluación completa de la biosseguridad así como del impacto ambiental requiere investigaciones profundas para garantizar su inocuidad a largo plazo. Las perspectivas futuras incluyen el uso del diseño computacional para acelerar el descubrimiento de nuevas aleaciones, una caracterización multidisciplinaria más avanzada y el desarrollo de procesos de fabricación escalables capaces de responder a las necesidades industriales. Al superar estas limitaciones, los materiales antibacterianos de alta entropía se anuncian como una estrategia transformadora para enfrentar las amenazas patógenas actuales y futuras con un rendimiento sin precedentes en diversos campos de aplicación.
في ظل الخطر المتزايد للإصابات البكتيرية المقاومة للمضادات الحيوية على مستوى العالم، أصبح تطوير مواد مضادة للبكتيريا جديدة وفعالة أولوية قصوى في المجال الطبي الحيوي. لقد برزت المواد عالية الإنتروبيا (HEMs)، المكونة من خمسة عناصر رئيسية أو أكثر مختلطة بنسب قريبة من التكافؤ المولي، كمنصات متعددة الوظائف قوية قادرة على مواجهة هذا التحدي. تهدف هذه المراجعة إلى تقديم المبادئ الأساسية والخصائص الهيكلية للمواد عالية الإنتروبيا، مع التركيز بشكل خاص على استقرارها المدفوع بالإنتروبيا وخصائصها التآزرية الفريدة. من خلال تجميع المعرفة الحالية، نسعى إلى وضع إطار نظري قوي يوضح كيفية استغلال هذه المواد لمواجهة التهديدات الممرضة مع ضمان حماية دائمة.
يعتمد نهج هذا المقال على تحليل شامل لآليات مكافحة البكتيريا الكامنة في المواد عالية الإنتروبيا. يتم تفصيل أربع آليات رئيسية للعمل: الإطلاق المنضبط لأيونات المعادن القاتلة للبكتيريا، التعقيم الضوئي الحراري الفعال، توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) عبر التحفيز أو الوساطة المؤكسدة، والتفاعلات الكهروستاتيكية التي تؤدي إلى القضاء بالاتصال. يستعرض النص كيفية تصميم التركيب الكيميائي والبنية المجهرية بدقة لتحسين الفعالية المضادة للميكروبات دون المساس بسلامته الهيكلية، مما يهدف إلى تعظيم إمكانات هذه المواد في البيئات المعقدة حيث تتطور العوامل الممرضة بسرعة.
توضح النتائج المقدمة كيف أن التوليف وهندسة المواد عالية الإنتروبيا يسمحان بتحسين كبير في أدائها المضاد للبكتيريا. تظهر الدراسات النموذجية أن هذه المواد توفر حماية واسعة النطاق ودائمة، بفضل الجمع بين آليات متعددة لتدمير البكتيريا بتآزر. تمتد تطبيقاتها الآن إلى الغرسات الطبية الحيوية، والأنزيمات النانوية للتحكم في العدوى وعلاج السرطان، وكذلك الأسطح ذاتية التعقيم المخصصة للصحة العامة. علاوة على ذلك، يُظهر استخدامها كمحفزات متقدمة في معالجة مياه الصرف الصحي وكمواد طلاء مضادة للتآكل والالتصاق البيولوجي للبيئات البحرية تنوعها الاستثنائي في مواجهة التحديات البيئية المعاصرة.
على الرغم من هذه التطورات الواعدة، لا تزال هناك تحديات يجب التغلب عليها قبل الاعتماد العام. تظل تعقيدات التصميم التركيبي عقبة رئيسية، وتتطلب التقييم الشامل لسلامة الأحياء وتأثيراتها البيئية أبحاثًا عميقة لضمان سلامتها على المدى الطويل. تشمل الآفاق المستقبلية استخدام التصميم الحسابي لتسريع اكتشاف السبائك الجديدة، وتطوير تقنيات توصيف متعددة التخصصات بشكل أكثر تقدمًا، وإنشاء عمليات تصنيع قابلة للتوسع تلبي الاحتياجات الصناعية. من خلال التغلب على هذه القيود، يُتوقع أن تصبح المواد المضادة للبكتيريا عالية الإنتروبيا استراتيجية تحويلية لمواجهة التهديدات الممرضة الحالية والمستقبلية بكفاءة غير مسبوقة في مجالات تطبيق متنوعة.