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betway必威西汉姆联官网孔晓颖副教授、韩磊教授、中山大学付俊教授 CEJ

2023.10.08 作者:第一作者：Junyao Song，Haoyu Chen 通讯作者：孔晓颖、韩磊，付俊浏览数：0

第一作者：Junyao Song，Haoyu Chen

通讯作者：孔晓颖、韩磊，付俊

通讯单位：betway必威西汉姆联官网，中山大学

研究速览

近期，betway必威西汉姆联官网孔晓颖副教授团队，韩磊教授团队、中山大学付俊教授合作在期刊《Chemical Engineering Journal》上发表了用于生物膜感染伤口愈合的 CuO2 辅助Zn单原子杂化纳米酶的文章。单原子催化剂（SAC）的特点是原子上分散着单个金属原子，由于其催化活性令人满意，因此比普通的纳米酶材料具有更优越的抗菌性能。然而，当用于治疗受生物膜感染的伤口时，由于活性氧（ROS）供应不足，单原子催化剂仍无法有效解决严重的微生物感染问题。本文制备了一种由Zn单原子催化剂和过氧化铜组成的新型杂化纳米材料（Zn SACs@CuO2），以实现ROS生成的升级和对生物膜感染伤口的光热/化学动力（PTT/CDT）联合治疗。具体而言，CuO2 不仅具有优异的光热特性，还具有产生 H2O2 和 Fenton 类催化活性，这有助于 Zn SACs 加速内源性和外源性 H2O2 的 ·OH 转化。与 Zn SACs 的单一抗菌策略相比，Zn SACs@CuO2 杂化纳米酶在破坏生物膜、激活免疫和改善炎症方面表现出更强的治疗效果。总之，这项研究开发了一种杂化单原子纳米酶材料，可用于生物膜感染伤口的高效愈合。

要点分析

要点一：材料设计：在这项研究中，作者通过将 MOF 衍生的锌单原子与 CuO2（Zn SACs@CuO2）修饰在一起，制备了一种近红外响应杂化纳米酶系统，用于 PTT/CDT 协同抗菌治疗（方案 1）。Zn SACs 是通过表面保护热解策略从具有代表性的 MOF 前体沸石咪唑酸框架-8（ZIF-8）中获得的。此外，最终的 Zn SACs@CuO2 杂化纳米材料是在含有 CuCl2、H2O2 和氢氧化钠的水反应溶液中简单合成的，其中 Zn SACs 作为前驱体，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为稳定剂来修饰 CuO2 的表面并控制其粒径（图 1a）。

要点二：抗菌机理：碳（C）和铜（Cu）作为 PTT 剂，具有很高的光热转化效率高的 PTT 药剂，从而实现高效的 PTT 抗菌疗法。同时，在酸性伤口微环境下，CuO2 被可逆地分解为 Cu2+ 和 H2O2，随后金属活性位点（Zn SACs 和 Cu2+）与 H2O2 发生高效的过氧化物反应，生成高毒性 ·OH 用于 CDT 抗菌治疗。更重要的是，Zn SACs@CuO2 杂化纳米酶能很好地愈合生物膜感染的伤口，从根除细菌感染、缓解炎症和激活免疫系统中获益。

方案1. 制备 Zn SACs@CuO2 NPs（a）和治疗生物膜感染伤口愈合（b）的示意图。Zn SACs@CuO2的制备实现了ROS生成的升级以及光热/化学动力学（PTT/CDT）疗法对生物膜感染伤口的联合治疗。Zn SACs@CuO2 杂化纳米酶可促进生物膜感染伤口的愈合，从根除细菌感染、缓解炎症和激活免疫中获益。

图 1. Zn SACs@CuO2 NPs 的表征。(a-e）ZIF-8 NPs、ZIF-8@mSiO2 NPs、Zn NPs、Zn SACs 和 Zn SACs@CuO2 NPs 的 TEM（比例尺：100 nm）。(f) Zn SACs@CuO2 的高分辨率 TEM 图像。(g）Zn SACs@CuO2 NPs 的元素图谱图像（比例尺：10 nm）。(h) Zn SACs@CuO2 NPs 和 CuO2 标准样品的 XRD 图。

图 2. Zn SACs@CuO2 NPs 的表征。(a) AC-HAADF-STEM 图像（亮白点，红圈突出显示）。(b) Zn SACs@CuO2 的 XPS 全光谱。(c) Zn SACs@CuO2 的高分辨率 N1s XPS 光谱。(d) XANES 光谱。(e) R 空间和 (f) K 空间。(g-j) Zn 箔、ZnO、Zn Pc 和 Zn SACs@CuO2 的小波变换 (WT)。

图 3. Zn SACs@CuO2 NPs 的性质分析。(a) Zn SACs@CuO2 NPs 悬浮液在 808 纳米辐照（0.25、0.5、1、1.5、2 W·cm-2）下的温度曲线。(b) 不同浓度的 Zn SACs@CuO2 NPs 在 808 纳米辐照（1 W·cm-2）下的温度曲线。(c) Zn SACs@CuO2 NPs（1 mg·mL-1）的循环加热曲线。(d）近红外条件下 PBS、Zn NPs、Zn SACs 和 Zn SACs@CuO2 NPs 的 ESR 光谱（·OH）。(e) 在 pH=4.5 和无 H2O2 的条件下，Zn NPs、Zn SACs 和 Zn SACs@CuO2 在 10 分钟内的催化性能。 (f) 在 pH=4.5 和无 H2O2 的条件下，Zn NPs、Zn SACs 和 Zn SACs@CuO2 的紫外可见吸收光谱。 (g-i) Zn NPs (g)、Zn SACs (h) 和 Zn SACs@CuO2 (i) 在 pH=4.5 和 150 mM H2O2 下 10 分钟后的催化性能、 Zn SACs (k) 和 Zn SACs@CuO2 (l) 在 pH=7 和 150 mM H2O2 存在下 10 分钟内的催化性能。

图 4. 体外抗菌效果评估。(a) 五组金黄色葡萄球菌的 DCFH-DA 标记 CLSM 图像。比例尺： 50 微米。(b) 五组金黄色葡萄球菌的活/死荧光染色。比例尺：100 µm： 100 微米。(c) 金黄色葡萄球菌/大肠杆菌生物膜在医用硅胶表面经五种不同处理后的 CLSM 图像。用 Live/Dead® BacLight™ 细菌活力和计数试剂盒对生物膜进行染色。(d）五组处理后的菌落图片。(e、f）金黄色葡萄球菌和大肠杆菌经不同处理后的 SEM 图像。比例尺： 1 微米。组别：(G1) 对照组，(G2) H2O2+NIR 组，(G3) Zn NPs+H2O2+NIR 组，(G4) Zn SACs+H2O2+NIR 组、 (G5) Zn SACs@CuO2+近红外。激光：808 纳米，5 分钟，1 W·cm-2 .

图 5. Zn SACs@CuO2 NPs 对 DC 细胞成熟、单核细胞分化和上皮细胞迁移的影响。(a）体外成熟 DC 的代表性流式细胞仪图谱和定量。（b）M1 型巨噬细胞的代表性流式细胞仪图谱和定量。(c) M2 型巨噬细胞的代表性流式细胞仪图谱和定量。(d) L929 细胞经五个不同组处理后的迁移试验。组别：(G1) 对照组，(G2) H2O2+NIR 组，(G3) Zn NPs+H2O2+NIR 组，(G4) Zn SACs+H2O2+NIR 组，(G5) Zn SACs@CuO2+H2O2+NIR 组。激光：808 纳米、 5 分钟，1 W·cm-2 。

图 6. Zn SACs@CuO2 NPs 对生物膜感染伤口的体内治疗。(a) 生物膜感染伤口的体内治疗方案。(b) 不同处理后第 1 天、第 4 天、第 7 天和第 10 天感染伤口的照片。(c) 伤口闭合的痕迹。(d) 治疗期间记录的伤口面积变化（n=6）。(e) 体重曲线。(f) 第 10 天在 LB-agar 平板上形成菌落的照片。(g) 伤口组织的 H&E 染色。(h, i) 第 10 天真皮下 IL-6 和 CD31 的免疫荧光染色；比例尺： 500 µm。组别：(G1) 对照组，(G2) H2O2+NIR 组，(G3) Zn NPs+H2O2+NIR 组，(G4) Zn SACs+H2O2+近红外，（G5）Zn SACs@CuO2+H2O2+ 近红外。激光：808 纳米，5 分钟，1 W·cm-2 。

图 7. Zn SACs@CuO2 NPs 在体内的免疫激活作用。(a、b、c、d）成熟 DC、CD4+T 细胞、CD8+T 细胞、M1 型巨噬细胞和 M2 型巨噬细胞的流式细胞术。组别：（G1）对照组，（G2）H2O2+近红外组，（G3）Zn NPs+H2O2+近红外组，（G4）Zn SACs+H2O2+近红外组，（G5）Zn SACs@CuO2+H2O2+近红外。激光：808 纳米，5 分钟，1 W·cm-2 。

结论

总之，在本文中作者通过将 MOF 衍生的 Zn SACs 与 CuO2 进行修饰，制备了近红外响应的 Zn SACs@CuO2 杂化纳米酶，用于 PTT/CDT 协同抗菌治疗。

1）在Zn SACs@CuO2杂化纳米酶中，不仅保留了Zn SACs极高的原子利用率和较大的催化活性面积，而且通过引入CuO2进一步提高了内源性H2O2的供给能力和整体Fenton样反应效率，从而进一步提高了纳米颗粒的抗菌效率。

2）Zn SACs@CuO2 杂化纳米酶令人满意的抗菌效率促进了生物膜三维结构的瓦解，并在体内治疗过程中迅速改变了伤口组织的炎症过程，改善了免疫微环境、进一步加速伤口愈合。

总之，这项研究强调了 Zn SACs@CuO2 杂化纳米酶在 PTT/CDT 和促进伤口修复方面的协同抗生物膜性能，并进一步开辟了为设计高效的酶催化和抗菌纳米材料应用开辟了新天地。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145706

参考文献：Junyao Song, Haoyu Chen, Yaqian Lv, Wanqun Yang, Fenglang Zhang,

Tianyi Wang, Danping Liu, Yingshan Qu, Lei Han, Jun Fu, Xiaoying Kong. CuO2

-assisting-Zn single atom hybrid nanozymes for biofilm-infected wound healing.

Chemical Engineering Journal . 2023 .

DOI: 10.1016/j.cej.2023.145706

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