科学通报 | 生物医药用单原子催化剂的限域载体及其调控机制

自2011年由我国科学家提出“单原子催化”概念以来，单原子催化剂在能源、环境以及生物医药领域显示出巨大的应用潜力。相比于纳米粒子或纳米团簇，单原子催化剂具有最大化的原子利用率、独特的电子结构以及增强的催化活性/选择性等优势。尤其在生物医药领域，金属基单原子催化剂具有一个显著优势，即在复杂的生理环境下不会产生由大量金属离子聚集引发的生物毒性。尽管研究者们已对不同种类的单原子催化剂在生物医药领域的进展进行了评述，但大多数报道集中在单原子催化剂的制备方法及其生物医学应用。

近日，华东理工大学材料科学与工程学院牛德超教授课题组在《科学通报》“生物医用纳米材料专题”发表题为“生物医药用单原子催化剂的限域载体及其调控机制”的综述文章，从单原子催化剂限域载体的角度，全面系统评述了单原子催化剂的限域载体类型、调控机制以及在生物医药领域的最新应用进展。

作者首先归纳总结了近年来在生物医药用单原子催化剂的限域载体类型。基于生物医药领域催化剂载体小粒径与高生物相容性的需求，着重介绍了金属及其化合物载体、金属有机框架材料为主的碳基载体以及新型硅基载体等单原子限域载体的合成研究进展（图1）。

图1限域载体负载单原子催化剂的示意图

然后，作者重点讨论了生物医药用单原子催化剂的原子价态及其配位结构与性能调控机制之间的相互关系。单原子活性位点受到如价态、配位原子数、配位原子类型（杂原子取代）以及第二壳层配位结构等因素的影响，为高效、安全的生物医药用单原子催化剂制备提供新的思路和途径。

随后，作者概述了不同种类单原子催化剂在不同疾病模型中（如感染难愈创面、肿瘤、关节炎性疾病）以及生物成像、生物传感等领域的研究进展（表1）。单原子催化剂在生物医学领域的应用优势在于其独特的原子级结构、高效的催化性质和良好的生物安全性，这些特性为开发新型高效和选择性强的生物催化剂提供了新的策略。

表1近年来已报道的单原子催化剂的化学组成、载体类型、生物性能以及生物应用领域

最后，作者指出了当前生物医用单原子催化剂发展所面临的挑战。主要包括：现有单原子催化剂的制备成本较高；长期生物安全性评价还需进一步验证；复杂生理环境下的催化活性的增强 / 失活机制以及长期的生物稳定性问题亟需重点关注；类酶催化活性与天然酶相比还存在较大的差距。尽管生物医用单原子催化剂仍存在着上述问题，但是未来通过与材料科学、化学、生物学、医学等多学科深度融合，研究人员有望开发具有更高活性、选择性、生物相容性和生理环境下稳定的单原子催化剂，以实现不同疾病的高灵敏诊断和高效治疗。

文章信息

徐世宇, 尹思源, 牛德超. 生物医药用单原子催化剂的限域载体及其调控机制. 科学通报, 2025, 70(23) 3843–3859

doi: 10.1360/TB-2024-1233

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