具备多种活性的金属纳米酶催化活性调控策略与生物应用
杨启，毛远洋，刘佺，何伟伟*
河南省微纳米能量储存与转换材料重点实验室，表面微纳米材料研究所，许昌学院化工与材料学院
【 文献链接】
Wei-Wei He et al. Metal Nanozymes with Multiple Catalytic Activities: Regulating Strategies and Biological Applications. Rare Metals (2022).
https://doi.org/10.1007/s12598-023-02309-w
【 背景介绍】
纳米酶具有优异的类酶催化活性，有望成为天然酶的良好替代品，并在生物检测、疾病诊断和治疗方面蕴含着巨大应用潜力。金属纳米酶是纳米酶家族的重要成员，对其组成、尺寸、形貌、晶体缺陷、表面状态等进行可控调节或使其经受外场激发、环境改变时，可使金属纳米酶获得独特的几何构型与电子结构，并在催化行为中表现出不同的物理/化学性质。尽管金属纳米酶研究已经取得显著进展，但在进一步提升催化效率、开发大规模生产合成工艺、促进临床转化和拓宽应用范围等方面仍有较大探索空间。面对上述问题，新型纳米酶的合理设计与催化机制的深入理解已成为应用提升的迫切需求。本文对具备多类活性的金属纳米酶调控策略、催化机制及相关生物学应用最新进展进行了综述，并对其未来研究热点进行了展望，期望引发对这一有趣、多学科交叉领域的更多关注。
【 文章亮点】
1. 介绍并讨论了金属纳米酶多种催化活性的催化机理与调控策略。
2. 综述了金属纳米酶在生物检测、抗菌、肿瘤治疗和神经保护等方面的最新应用。
3. 提出了纳米酶设计与合成的新思路并展望了下一代纳米酶发展前景。
【 内容简介】
日前， 许昌学院化工与材料学院的何伟伟教授课题组在 Rare Metals 上发表了题为 “Metal Nanozymes with Multiple Catalytic Activities: Regulating Strategies and Biological Applications”的综述文章，列举了金属纳米酶具备的各类催化活性；结合金属纳米酶晶体结构、表面性质及相关表征，探讨了金属纳米酶催化活性的有效调控策略；总结了金属纳米酶在生物领域应用的最新进展；展望了下一代金属纳米酶的研究热点。
目前已报道的金属纳米酶具备类过氧化物酶(POD-like)、类氧化酶(OXD-like)、类过氧化氢酶(CAT-like)和超类氧化物歧化酶(SOD-like)等多种活性。其调控策略包括成分、尺寸、形貌调节，晶相与晶格缺陷设计，表面改性，离子、分子结合，外场激发及环境（温度、pH）刺激等。基于多种类酶催化活性，研究者们设计并构建了各种级联反应体系，并深入探讨了活性氧与纳米材料的相互作用机理。极大推动了金属纳米酶在生物领域的广泛应用，包括:Ⅰ. 生物检测；Ⅱ. 抗菌；Ⅲ. 肿瘤治疗；Ⅳ. 神经保护等方面。
【图文解析】
图1 金属纳米酶催化活性调控策略示意图。
图2 (a) AgM(M=Au, Pt, Pd)纳米酶催化OPD的光学照片和不同元素组成下类过氧化物酶活性动力学曲线。(b) PtRu纳米酶在不同组分比例下的类酶活性。(c) PtPdCu、PtPd纳米酶和商用Pt/C的类酶活性。(d) Au@PtnL纳米酶的催化速率常数与壳层厚度关系图 (n=1-10)]。
图3 (a) 不同尺寸Au NPs类葡萄糖氧化酶活性示意图及性能对比。(b) Au NPs催化H2O2分解生成•OH的ESR谱图。(c) 晶体平面对Pd纳米酶类过氧化物酶及类超氧化物歧化酶活性影响。(d) 形态对Au NPs类过氧化物酶活性影响示意图。
图4 (a) 应变对Pd纳米酶类过氧化物酶活性的影响。(b)应变对核壳结构Pd@Pt纳米酶类酶催化活性影响示意图。(c) cys修饰对Au NPs 类过氧化物酶活影响。(d) S2-对Pd纳米立方体催化活性的抑制作用示意图。(e) 等离激元对类酶催化活性调节示意图。(f) 交变磁场作用下非晶态Fe NPs的Michaelis-Menten常数及其在•OH检测中的应用。
图5 (a) PtPdCu纳米酶在Fe2+检测中的应用。(b) Pt/UiO-66纳米酶在葡萄糖检测中的应用。(c) PtNi纳米酶在癌胚抗原检测中的应用。
图6 (a) Pt纳米枝晶的形貌及抑菌能力示意图。(b) Au-Pt纳米酶抗菌机理及抗菌性能。
图7 (a) PtCu3纳米笼在治疗肿瘤中应用示意图。(b) PdCuFe合金纳米酶超声-光热增强肿瘤治疗示意图。(c) Pd@Pt-PEG纳米酶光热和光动力肿瘤治疗示意图。
图8 (a) PtPdMo纳米酶修复脑损伤示意图。(b) PtCu纳米酶治疗帕金森病机制示意图。(c) Pd@PEG@Bor纳米酶治疗阿尔茨海默病示意图。
【 全文小结】
1.多种调控策略并举，可实现金属纳米酶催化活性的特异性、有效性调节；
2.金属纳米酶已在诸多生物检测与生物治疗方向显示出应用潜力；
3.探索电子结构及表面化学状态动态演变对深入理解金属纳米酶催化机理意义重大；
4.金属纳米酶生物安全性仍需持续研究与关注。
【 作者简介】
何伟伟，许昌学院化工与材料学院教授。2004年和2007年毕业于河南大学（本科）和华中师范大学（硕士）；2010年博士毕业于国家纳米科学中心。2012年至2014年于美国食品与药品管理局访问学者。研究兴趣为纳米催化材料与应用，发表论文90多篇，包括 J. Am. Chem. Soc. , Nano Today , Biomaterials 等，总被引用8000多次；出版专著（章节）2部；授权国家发明专利12件；起草国家标准2部。获河南省科技进步奖一等奖、二等奖，自然科学奖三等奖，河南省高等教育成果特等奖等。担任若干学术期刊的审稿人及《 Rare Metals 》青年编委。
消息来源：稀有金属RareMetals
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