Small | 一种具有类酶活性的仿生原子薄层单原子纳米点用于抗菌纺织品涂层

以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者Nanozymes

【背景介绍】

由于过度使用抗生素导致耐药微生物快速增加，对人类健康造成了严重威胁。研究表明在医院环境中，微生物可以在棉织物材料上存活数天甚至数月，这大大增加了感染风险。受天然酶结构及酶催化活性的启发，研究人员合成了大量具有稳定催化功能的纳米酶。由于目前纳米酶的构效关系很难准确揭示，因此，制备高度模拟天然酶，具有明确催化位点和高效抗菌活性的新型纳米酶仍然是一个巨大的挑战。单原子催化剂以原子分散的活性位点为特征，具有类似天然酶的活性中心M-Nx（M指过渡金属），从而弥补了天然酶与纳米酶之间的差距。而且，氮化碳中丰富的“氮罐”相当于天然酶的酶蛋白部分，可以作为“爪子”有效地锚定金属原子。因此，仿生单原子纳米酶有望作为天然酶的直接替代品，在抗菌领域有待进一步研究。

【成果简介】

近期，山东大学占金华团队报道了一种通过自剪裁方法制备的原子薄层单原子纳米点，其高度模拟天然酶结构，具有良好的类过氧化物酶活性及抗菌活性。在团队前期研究中，发现小尺寸的氮化碳量子点可以通过扩散作用内化进入细菌，这克服了羟基自由基（•OH）寿命短和扩散距离短的固有缺点。在此基础上，本研究进一步提高类酶催化活性及抗菌效果，利用自剪裁策略制备了铜单原子掺杂的氮化碳纳米点（Cu-CNNDs），由于载体的尺寸效应优化配位结构，导致Cu-N3活性位点的完全暴露，提高了H2O2产生•OH的能力（图1），并且通过共价接枝作用将其稳定负载到棉纺织布中，从而形成复合抗菌棉纺织布。相关工作以“A Bioinspired Atomically-Thin Nanodot Supported Single-Atom Nanozyme for Antibacterial Textile Coating”为题发表在Small，第一作者为山东大学博士研究生代晓辉。

【文章要点】

作者首先通过自剪裁策略合成了Cu-CNNDs纳米酶，它们具有小尺寸、原子薄层的纳米结构，STEM结果证明了铜以单原子的形式均匀分布在氮化碳纳米点上，表明成功合成了尺寸均匀的原子薄层Cu-CNNDs纳米酶。

类酶活性测试：利用TMB的显色反应评估了原子薄层Cu-CNNDs纳米酶的过氧化物酶活性，体系中TMB可被H2O2氧化为在652 nm处可检测到的蓝色氧化产物ox-TMB，通过EPR波谱证明了体系中生成了•OH，且Cu-CNNDs纳米酶生成的最多（图2）。

随后，本研究利用XAFS技术进一步了解Cu-CNNDs优异过氧化物酶活性的原因，结果发现原子薄层Cu-CNNDs中没有Cu-Cu的配位结构，仅存在Cu-N的配位形式，且Cu单原子与第一壳层N的配位数为3（图3）；继而通过Cu-CNNDs的理论计算证明了在Cu-N3活性位点中，Cu原子与吡啶N原子及氨基配位，形成电子转移通道，有利于电子传输；另外，由于载体尺寸效应优化配位结构，使得Cu-CNNDs在活化H2O2过程中降低了分子活化的电荷转移势垒，有利于反应进行，且是整个反应的限速步骤。

利用金黄色葡萄球菌和大肠杆菌作为测试细菌模型，当单独暴露于H2O2、CNNDs、Cu-CN和Cu-CNNDs时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率可忽略不计，然而，当CNNDs体系中出现H2O2时，抗菌效果增强，而且，将H2O2加入到Cu-CNNDs体系后，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率显著提高至99%和99.7%，这表明Cu-CNNDs的杀菌活性及类过氧化物酶活性最高（图4）。

【结论与展望】

作者最后介绍到，原子薄层Cu-CNNDs通过诱导H2O2可以分解为有毒的•OH，实现了对细菌的有效杀灭。此外，通过在棉织物上涂覆Cu-CNNDs，制备了具有优异抗菌活性和无毒性的抗菌复合棉织物，为加速未来纳米酶在专用防护纺织品中的应用也开辟了一条有前途的道路。

转自：“NANO学术”微信公众号

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