王宇光/王定胜/王新强AM综述：单原子纳米酶的合理设计及其生物医学应用

编者按：单原子纳米酶(SAzymes)在催化科学、生物医学等多个前沿研究方向开辟了新的道路。但如何合理设计SAzymes以及其微环境调控来促进类酶活性以便更好的应用于生物催化还没有很好的总结和概括。此外，对于 SAzymes 在肿瘤治疗和生物传感等生物催化领域的作用机制也缺乏深入探讨。最近，北京大学口腔医院王宇光、清华大学化学系王定胜、西安工业大学王新强等人系统地总结了如何合理设计SAzymes以及相应的生物医学应用。相关论文以Atomic Engineering of Single-Atom Nanozymes for Biomedical Applications为题，发表在《Advanced Materials》，第一作者为清华大学沈吉。

背景介绍

在快速发展的纳米技术的推动下，各种单原子催化剂（SACs）纳米材料正在成为治疗肿瘤相关疾病、抗菌治疗、生物传感检测等领域的候选材料。SACs 与酶类似，在原子尺度上表现出一系列包括几何、化学和电子结构在内的显著特性。单原子纳米酶（SAzymes）作为生物催化剂的重要组成部分，具有非凡的活性和特异性。SAzymes揭示催化反应复杂机理的道路，超越了天然酶和纳米酶的局限。因此，各种具有独特物理、化学特性和催化活性的 SAzymes正在被合理地设计出来，并在广泛的生物医学领域显示出良好的应用前景。

金属-载体相互作用

不同的支撑材料（碳基材料、金属氧化物、MOF 材料、二维材料、）赋予了 SAzymes 多样的催化特性。这些载体上的单原子改变了载体的局部电子结构，载体与金属之间形成了强烈的金属-载体相互作用，从而改变了吸附物种的空间状态和能量分布，优化了催化剂的催化性能。目前，生物医学应用中研究较多的 SAzymes 载体主要是碳材料，其他材料也有相继报道。在以碳材料为载体的情况下，不仅可以通过金属与载体的相互作用促进分离和转移效率，而且金属单原子和 氮空位的共存还能提高催化效率，显示出协同催化效应；MOF 材料本身具有较大的空腔，可以强烈捕获金属单原子；氧化物是常用的载体材料，其表面的氧空位缺陷可作为稳定单原子金属的位点；负载在二维材料上的金属原子不仅能与非金属原子形成带状结构，还能与周围的金属原子形成带状结构，从而形成复杂而灵活的环境，调节酶催化反应的催化效率 (图1)。

Figure 1．Interaction between different supports and metals.

单原子纳米酶的微环境调控

SAzymes 的配位微环境调控主要是在碳载体上进行，并集中在第一/第二壳层配位原子和金属中心位点的调控上（图 2）。具体来说，在第一壳层中，可以通过配位原子的数量（不饱和配位、轴向配位等）以及杂原子掺杂（P、S、O 等）来调节 SAzymes 的催化活性；在第二壳层中，在第一壳层的基础上进一步杂原子掺杂可以更加进一步的调节 SAzymes 的催化活性；对于最重要的金属活性位点，选择合适的金属中心从而来模拟所需的酶活性是非常有必要的；另外DAzymes/MAzymes协同催化的金属活性中心也很有前景，金属活性中心的增加和配位杂原子的掺杂也是值得进一步研究的课题。

Figure 2． Coordination microenvironment modulation of SAzymes.

单原子纳米酶的生物医学应用

原子尺度纳米催化治疗策略的出现，在不影响正常组织的情况下，由无毒物质产生特异性毒性物质，减少传统疗法引起的不良反应，实现无创抗生物治疗，是一种很有前景的方法。该综述概述了 SAzymes 在生物医学领域的最新应用，包括肿瘤治疗、生物传感、抗菌和抗炎治疗。其中，根据催化机制的不同，在肿瘤治疗领域，我们将其分为内源性刺激、外源性刺激和内源性与外源性联合刺激；在生物传感领域，我们将其分为比色单模式生物传感、电化学单模式生物传感、其他单模式生物传感和多模式生物传感；在抗菌、消炎治疗方面，同样进行了系统的总结。

Figure 3． llustration of atomic engineering of SAzymes and their biomedical applications.

心得与展望

SAzymes是一种近年来发展迅速的新一代纳米酶，其在生物传感、疾病诊断与治疗、生物成像等领域有着广泛的应用。该综述首先讨论了设计SAzymes的制备和调控策略及其对生物催化反应性的影响。接下来，从不同的机制综述了SAzymes在生物医疗方面的最新进展。最后，对SAzymes在生物领域的应用进行了全面综述和展望（图4）。该综述将为生物医疗应用里SAzyme的开发提供新的启示。

Figure 4．Challenges and perspectives for the development of SAzymes in biomedical applications.

作者介绍

王宇光教授，国家级青年人才，博士学位，现任北京大学口腔医院副教授、主任医师、博士生导师。从事激光和光响应材料领域的交叉学科研究。在过去五年中，他发表了 40 多篇 SCI 论文，包括 Nat. Commun.、Adv. Mater.、Sci Adv.、Nano Today、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Small and Small Methods.

王定胜，1982年出生。2004年于中国科学技术大学化学物理系获理学学士学位。2009年于清华大学化学系获理学博士学位。2009至2012年在清华大学物理系从事博士后研究。2012年7月加入清华大学化学系。研究领域为无机纳米材料化学，自2009年博士毕业以来，一直以无机纳米合成化学为基础，主要从事金属纳米晶、团簇及单原子为主的无机功能纳米材料的合成、结构调控与催化性能研究。2012年获全国优秀博士学位论文奖。2013年获国家优秀青年科学基金。2018年获青年拔尖。2023年获国家杰出青年科学基金。发表学术论文200余篇，含1篇Nature、1篇Nature Chem.、1篇Nature Nanotech.、3篇Nature Catal.、39篇Angew. Chem. Int. Ed.、20篇J. Am. Chem. Soc.、18篇Adv. Mater.、12篇Nature Commun.等。入选2020、2021、2022年全球高被引科学家。

王新强，2014年毕业于兰州交通大学电子科学与技术专业，获学士学位；2021年毕业于电子科技大学电子科学与工程学院电子信息材料与器件专业，获博士学位。目前，他加入了西安工业大学新能源科学技术研究院。他目前的研究方向是电催化剂的设计、合成和应用。

第一作者

沈吉，于2021年在中国科学院化学研究所获得硕士学位。目前，在清华大学化学系攻读博士学位，导师是王定胜教授。她的研究兴趣主要集中在单/双原子催化剂的可控合成、合理设计和生物催化应用方面。

来源：材料科学前沿

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