构筑“光-酶”一体催化剂用于光催化/酶催化协同杀菌治疗

细菌感染每年困扰着数百万人，已成为一个全球严峻的公共卫生问题。由于抗生素的滥用，出现了具有多重耐药性的“超级细菌”。因此，迫切需要开发治疗细菌感染的新试剂和新手段。随着光学技术的进步和光催化材料的开发，光催化抗菌治疗又重新回归到人们的视野，且已成为耐药菌感染最具有前景的治疗方式之一。虽然光催化抗菌有很好的疗效，但是在体抗菌治疗时，光源的组织穿透深度和感染部位的低氧微环境通常会降低其杀菌效果。针对这些问题，济南大学的于欣课题组提出了利用光催化与酶催化协同杀菌的机理。

济南大学的于欣课题组及其合作团队长期致力于纳米催化材料的开发及其对感染性疾病的治疗研究。在光催化抗菌治疗方面：开发了一种全有机半导体C3N4/PDINH异质结构光催化剂，对细菌表现出优异的杀伤效果（Adv. Mater. 2019, 33, 1901965）；利用材料氢键之间的结合作用，开发了无机-有机杂化的Sn3O4/PDINH半导体异质结构，并且利用其增强的光催化能力实现了抗菌治疗（Small 2021, 39, 2102744）；并且通过活化羰基自由基作为中间物，与细菌表面的氨基反应形成酰胺键，实现对细菌的捕获（Chem. Eng. J. 2023, 451, 139007）。在纳米酶催化材料方面：通过缺陷调控了MoS2的纳米酶活性，实现了光增强的三种拟酶催化活性（类氧化酶、类过氧化物酶和类过氧化氢酶）协同抗菌（Adv. Mater. 2020, 48, 2005423）；通过氮掺杂进一步增强了其酶活性，开发出酶比色法实现生理环境下生物大分子精确检测（Anal. Chem. 2021, 93, 11123）；进一步研究了氮化对增强酶活性的影响，将金属纳米材料酶活性增强的策略聚焦于非金属元素氮掺杂，制备了具有拟酶活性的TiN纳米颗粒，（Angew. Chem. Int. Edit. 2021, 60, 25328-25338）；并且研究了电荷对纳米活性的影响，首次证明了正负电荷均能增强MoS2纳米酶活性（Angew. Chem. Int. Edit.https://doi.org/10.1002/anie.202217448）。

在此基础上，济南大学于欣、王爱珠研究团队与国家纳米科学中心刘晶研究员合作，制备了同时具有光催化与酶催化活性的硫掺杂氮化碳（g-SCN）。S掺杂增强了材料的吸收光谱，获得了增强的光催化性能。并且S掺杂形成了S-N-C键，赋予了材料酶催化的活性。在光催化与酶催化的协同作用下，实现了“1+1 > 2”的治疗效果。这项工作为构建高效抗菌治疗的纳米材料提供了创新的协同策略。

首先通过建立不同的模型做对比，证明了S掺杂能够改变材料的能带结构，将材料的吸收光谱扩展到近红外（800-1000 nm），实现了增强的光催化性能。并且S-N-C键赋予了材料催化H2O2产生·OH的能力。

根据理论计算的指导，制备了不同的纳米材料：氧化还原石墨烯（rGO）、硫掺杂氧化还原石墨烯（S-rGO）、氮掺杂氧化还原石墨烯（N-rGO）、氮化碳（g-CN）、硫掺杂氮化碳（g-SCN）。并对其光催化与酶催化活性进行了表征，证实了g-SCN扩宽了材料的吸收光谱，增强了载流子分离能力；并且S-N-C配位是其拟酶催化活性的来源，赋予了材料纳米酶催化活性。在光照与H2O2同时存在的情况下，能够产生更多的OH。

与此同时，g-SCN具有促进表皮细胞增殖和迁移的能力，能够加速受损皮肤的修复和再生。将其应用到感染伤口的治疗，达到了非常好的治疗效果。

研究成果以“Construction of S-N-C Bond for Boosting Bacteria-Killing by Synergistic Effect of Photocatalysis and Nanozyme”发表在国际权威期刊Applied Catalysis B: Environmental上。通讯作者是济南大学于欣教授、王爱珠副教授与国家纳米科学中心的刘晶研究员。博士生王龙伟、硕士生杨钟炜为文章共同第一作者。上述研究工作的得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院百人计划的支持。

来源：济南大学

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337322012863