融合双金属纳米酶的高效光热协同抗菌疗效

一、引言

细菌性感染性疾病已经成为严重威胁公众健康的一大顽疾。传统抗生素滥用导致细菌耐药性不断上升,迫切需要开发新型高效抗菌剂。作为新兴的仿生酶材料,纳米酶凭借其独特的催化性能和优异的物理化学特性,在抗菌领域展现出广阔的应用前景。

但是,现有单原子纳米酶的催化活性仍然有待进一步提高。与之相比,双金属纳米酶不仅具有更高的金属负载量和原子利用效率,而且双金属之间的协同作用也能显著增强催化活性。因此,构建高效的双金属纳米酶用于抗菌治疗是一个值得关注的研究方向。

本文报道了一种新型的层间耦合双金属(FeN₄-FeN₄)纳米酶(IC-DAN),通过调控铁原子的配位环境实现了其卓越的过氧化物酶样活性和优异的光热转换能力,从而协同实现高效的抗菌治疗。该研究为开发高性能人工酶提供了新思路,为临床应用提供了新选择。

方案一 层间耦合双原子纳米酶体系的构建及其在快速杀菌中的应用

二、IC-DAN的构建与表征

IC-DAN的合成路径如方案1所示。首先,采用表面活性剂CTAB合成八面体ZIF-8前驱体。然后,在惰性气氛下将环戊二烯基二羰基铁引入ZIF-8孔道内,经过热解过程形成具有曲面结构和多孔性的碳材料。最后,通过硫酸处理和高温退火,获得目标材料IC-DAN。

扫描电镜(SEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)表征结果揭示,IC-DAN保留了ZIF-8前驱体的立方体形貌,但每个面都呈现独特的凹槽结构。这种独特的形貌源于在热解过程中引入的环戊二烯基二羰基铁,使得纳米材料发生了明显的形貌变化和尺寸增大。元素映射结果显示,铁和氮元素在碳基体中分布均匀。STEM图像进一步证实了铁原子在材料中的原子级分散,并观察到了成对的铁原子,铁原子间距约为0.26 nm。

XRD、XPS和ICP-OES分析进一步确认了IC-DAN中铁元素的高度分散和丰富负载。XANES、EXAFS和WT谱图表明,每个铁原子与4个氮原子配位形成FeN₄结构单元,并且这些FeN₄单元以耦合的方式存在(FeN₄-FeN₄)。这种特殊的原子配位结构有利于提高催化性能。

三、催化活性测试与机理分析

通过TMB比色法和自旋共振(ESR)实验,验证了IC-DAN的过氧化物酶样催化活性。实验结果表明,IC-DAN在存在H₂O₂的条件下可以高效催化产生细胞毒性的·OH自由基。与单原子纳米酶(SAN)相比,IC-DAN表现出更优的动力学参数,如更低的米氏常数(K_m)和更高的最大速率(V_max)。

DFT理论计算进一步揭示了IC-DAN优异过氧化物酶样活性的潜在机理：1、FeN₄-FeN₄纳米酶对H₂O₂吸附更强,Fe-O键长更短,有利于H₂O₂的活化；2、FeN₄-FeN₄纳米酶·OH物种的脱附过程能垒较低,促进了·OH的有效释放；3、FeN₄-FeN₄纳米酶具有更高的电子态密度和更强的电子转移,增强了催化过程中的电子传递。

四、光热协同抗菌效果

除卓越的过氧化物酶样活性外,IC-DAN还表现出优异的光热转换性能。在近红外光(808 nm)照射下,IC-DAN能快速升温至45℃以上,表现出强大的光热效应。生物活性测试结果表明,IC-DAN在光热作用下显著抑制细菌(大肠杆菌和金黄色葡萄球菌)的生长,而单独的光热或过氧化物酶样作用则效果有限。这种光热协同抑菌效果归因于光热效应诱导的细菌细胞膜破坏,以及过氧化物酶样活性产生的细胞毒性自由基的联合作用。

五、结论

本文通过原子级调控,成功构建了一种新型的层间耦合双金属(FeN₄-FeN₄)纳米酶(IC-DAN),展现出优异的过氧化物酶样催化活性和高效的光热转换性能。IC-DAN不仅能有效催化产生大量的细胞毒性自由基,而且在光热刺激下还能协同实现高效抑菌,为临床抗菌治疗提供了新选择。该研究为开发高性能人工酶材料开辟了新的研究方向,对生物医用领域具有重要意义。

图1 a) IC-DAN的SEM图像。b)IC-DAN的STEM图像。c)图像的部分区域的放大图像。d)IC-DAN的元素映射。

图2 反应过程的理论计算

图3 a)红外图像和相应的温度。b)剩余细菌接种琼脂平板的数码照片，以及c)在各种条件处理后的相应细菌活性。上图:大肠杆菌细胞；下图:金黄色葡萄球菌细胞。数值表示为平均值±标准差。d)剩余细菌接种琼脂平板的数码照片，和e)在各种条件处理后相应的细菌活性。上图:大肠杆菌细胞；下图:金黄色葡萄球菌细胞。数值表示为平均值±标准差。

参考文献：DOI: 10.1002/advs.202305823