Weekly Seminar

内容预告

1. Thermocatalytic hydrogen peroxide generation and environmental disinfection by Bi₂Te₃ nanoplates

2. Bioinspired Spiky Peroxidase-Mimics for Localized Bacterial Capture and Synergistic Catalytic Sterilization

No.1颉向红博士

题目：Thermocatalytic hydrogen peroxide generation and environmental disinfection by Bi₂Te₃ nanoplates

期刊：NATURE COMMUNICATIONS

IF：12.121

活性氧的高活性性质是其在环境和卫生领域广泛使用的基础。通常，用于生成ROS的催化剂只有两种:光催化剂和压电催化剂。然而，由于各种环境和物理因素，它们的使用一直受到限制。因此，设计有效的催化剂，以不间断的方式开发活性氧的产生是非常必要的。

温度是最重要的环境因素之一，在我们的生活环境中，几乎到处都存在着温度差。热电材料的发现为利用这种废热或温差用于各种用途铺平了道路。热电材料可以作为催化剂被称为热催化剂，它具有传统光/压电催化剂所不能比拟的诸多优点。与光催化剂或压电催化剂不同，热催化剂在不间断生成ROS方面表现出很大的前景，因为自然界中总是存在温差。此外，温差诱导的电荷分离在热催化剂中有利于阻止电子-空穴复合，从而进一步保证了更高的ROS的产生。然而，尽管有这些显著的优势，热催化剂产生ROS的研究在文献中仍然几乎未被探索。由于特定温差下的热电电压是影响热电效应的关键因素，因此要获得高效的热催化性能，必须选择塞贝克系数高的热电材料。

本研究报道了Bi₂Te₃、Sb₂Te3和PbTe等热电材料作为热催化剂，在较小的环境温差下可以产生过氧化氢。温度及其相关的热效应是日常生活中最普遍的环境因素，具有巨大的实际应用潜力。为了提高其在日常生活中的实用性，将碲化铋纳米片(Bi₂Te₃ NPs)涂覆在碳纤维织物(Bi₂Te₃@CFF)上，研究发现Bi₂Te₃@CFF在正负温差下均表现出显著的抗菌活性，且抗菌活性保持1个月以上时表现出良好的耐久性，开发出一种具有抗菌功能的热催化过滤器。

1. 大块热电材料的热催化性能

 

  通过温差诱发热电材料的热电动势来产生过氧化氢(图1a)。为了验证实验想法的可性行，买了三种块状热电材料Bi₂Te₃、Sb₂Te₃和PbTe，发现在20 K的温差下都可以生成H₂O₂，由于Sb₂Te₃和PbTe的Seebeck系数比Bi₂Te₃小得多，所以Bi₂Te₃产生H₂O₂的效率最高，当温差增加到40 K时，块状Bi₂Te₃产生H₂O₂的效率达到最大的0.34 μM/mg。 研究者直接将Bi₂Te₃用于杀菌实验，发现温差越高，产生的H₂O₂越多，杀菌性能越好。

图1.不同体积热电材料的热催化H₂O₂的产生

 

2. Bi₂Te₃ NPs的表征及其热催化活性

 

为了提高热催化效率，采用湿法合成了纳米Bi₂Te₃，并对合成的纳米材料进行了表征。图2a所示的FESEM图像清楚地显示了均匀的六边形类纳米板纳米材料的形成。从EDX分析得到的元素映射也证实了Bi和Te在单个NP中的均匀空间色散(图2b)。在30 K的温差刺激下，5 mg的Bi₂Te₃ 纳米片可以产生高达30μM的H₂O_2。研究还发现，循环加热Bi₂Te₃纳米片产生的H₂O₂量要高于持续加热的结果，这对实际应用来说就很有用了，因为很多场合很难保证长时间的恒定温差。在20 K的温差下，纳米片的杀菌效率超过95％，但块状Bi₂Te₃几乎没有杀菌效果。

图2 Bi₂Te₃ NPs对H₂O₂产生和消毒性能的表征

 

3. Bi₂Te₃ NPs的热电特性和温度诱导的表面电位评估和H₂O₂的产生

 

由于热电材料的塞贝克系数对热催化活性起着关键的控制作用，因此热电电压及其对应的塞贝克系数还估算了Bi₂Te₃ NPs(图3)。合成Bi₂Te₃ NPs的Seebeck系数高达497 μV/K，充分证明了Bi₂Te₃ NPs作为高效热催化剂的潜力。通过开尔文探针力显微镜进行的表面电位分析，进一步证实了热电材料中温差诱发的电压产生与与热阶段结合加热样品(图4 a, b)。

图3 Bi₂Te₃ NPs的热电特性

图4 温度诱导的表面电位评估和H₂O₂的产生。

 

4. 冷却和加热作用下热催化过滤器的杀菌性能

进一步利用Bi₂Te₃ NPs的优良消毒性能，设计了一种具有潜在应用前景的抗菌过滤器。采用涂层法制备了抗菌过滤器Bi₂Te₃ NPs在碳纤维织物上上，如图5a所示。产生H₂O₂所需的温差也可以从周围环境中得到利用。来自冷却风扇和吹风机的冷风和热风分别被引导到Bi₂Te₃ NPs@CFF的前端，通过过滤器产生温差。研究者用风扇和吹风机来制造温差，当给过滤器吹风扇时，过滤器前侧的温度下降到了约25 ℃，细菌存活率在45%左右；当给过滤器吹热风时，前侧温度会升高到约45 ℃，细菌存活率下降到28%，说明热风效果更好。

图5 具有冷却和加热效果的热催化过滤器消毒性能

 

5. 抗菌过滤器的实际应用及长期杀菌效果测试

 

对于进一步的实际应用，该热催化剂作为室内局部环境的消毒剂，有较大的应用前景制备了Bi₂Te₃ NPs @CFF作为家用抗菌过滤器。空调(AC)是控制室内环境温度和湿度的常用机器。空调内部的温度低于周围空气的温度，产生温差触发热催化反应。利用空调内部产生的低温与周围环境形成的温差来激发Bi₂Te₃ 纳米片产生H₂O₂，发现当空调的温度设置为17 ℃时，连续使用30天后，碳纤维织物表面的Bi₂Te₃ 纳米片仍然紧密而均匀的附着在纤维表面上，在30天的时间内，这种织物可以将细菌存活率保持在40%左右，表现出稳定的杀菌活性。

图6 抗菌过滤器的实时应用及可重用性测试。

综上所述，基于Bi₂Te₃ NPs的热催化剂已被设计用于演示温差诱导的H₂O₂生成以及细菌消毒。Bi₂Te₃ NPs在温差下产生的热电动势电压在控制热催化ROS生成过程中起着决定性作用。通过对其他热电材料，如Sb₂Te₃和PbTe的热催化性能的测试，也验证了利用热电材料产生ROS的概念。此外，Bi₂Te₃ NPs在三次热循环后表现出出色的消毒性能，达到95%的抗菌活性(5%的大肠杆菌存活率)。为了将所开发的催化剂有效地应用于日常生活中，将Bi₂Te₃ NPs涂覆在碳纤维织物上，作为家用空调的抗菌过滤器。只要存在温差，就可以产生热催化剂来杀死细菌。总的来说，这里提出的概念高度推广了全天候热催化剂的优点ROS的产生为可持续的环境修复应用开辟了新的方向。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20445-0

No.2 张亮博士

题目：Bioinspired Spiky Peroxidase-Mimics for Localized Bacterial Capture and Synergistic Catalytic Sterilization

期刊：Advanced Materials

 IF：27.398

近两年来冠状病毒导致的全球性疫情蔓延引起了科学界的广泛关注。事实上，许多其他致病微生物也对人类健康构成了严重威胁。然而，由于广谱抗生素药物的缺乏以及耐药菌株的出现使得传统的应对方法通常效果不佳。因此，亟需设计开发高效的非抗生素技术来杀灭致病微生物。

通过噬菌体原位捕获和杀死细菌的过程是大自然中存在的一种有效的杀菌模型。噬菌体是一种具有独特的多刺的病毒，它通过捕获细菌并随后释放核酸以复制并杀死细菌。这个过程被定义为局部的“捕获和杀死”（LCK）行动。因此，依据这种生物启发的LCK作用可以巧妙地开发有效的杀菌材料，以替代常规抗生素的临床治疗。

受噬菌体LCK行为的启发，该文章首次报道合成了一种病毒状的过氧化物酶模拟物（V-POD-M）。基于针状二氧化硅外壳优异的细菌捕获能力和高效的酶催化生成ROS的活性中心，采取“先捕获，后杀灭”的方式实现了对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的高效杀灭。依据试验结果和DFT理论计算确定了详细的ROS产生路径。体内和体外试验结果验证了V-POD-M优异的杀菌性能，并通过电镜和分子动力学模拟探究了材料与细胞膜之间的作用过程。最后，良好的安全性能也通过细胞试验得以证明。

1. 材料的合成与表征

首先将H₃PMo₁₂O₄₀加入到Cu-MOF的前体溶液中，通过室温搅拌制备出了MoO₃嵌入的Cu-MOF作为过氧化物酶模拟物（POD-M）。为了提高细菌捕获能力，采用单通道定向组装的方法在CTAB表面活性剂的调控下和在POD-M表面涂覆一种具有多个外延纳米结构的病毒状、尖状介孔二氧化硅壳层。最终的材料被定义为V-POD-M。SEM、TEM以及HAADF-mapping结果证实了八面体POD-M和病毒状V-POD-M的成功制备。

图1. (a) V-POD-M的合成示意图；(b) 病毒状二氧化硅外壳的形成；(c) POD-M的SEM和TEM图；(d) V-POD-M的SEM和TEM图；(e) POD-M的HAADF-STE图；(f) V-POD-M的HAADF-STE图。

2. 不同材料ROS生成能力的对比以及ROS种类的判定

图2中的一系列结果表明，材料中嵌入的MoO₃本身没有催化活性，在V-POD-M中扮演助催化剂的作用，且病毒状的二氧化硅外壳对材料产生ROS的过程没有明显影响。V-POD-M催化H₂O₂产生的ROS组分主要为•OH。

图2. (a) TMB的氧化反应；(b) 不同孵育体系下TMB的紫外吸收光谱；(c) 不同孵育体系下TMB的紫外吸收值；(d) TA和•OH的反应机理；(e) TA和不同样品作用后的荧光图谱；(f) TA和不同样品作用后的荧光峰值；(g) 检测不同体系产生的•OH的EPR光谱。

3. V-POD-M过氧化物催化活性的理论计算

由图3可知，V-POD-M中的MoO₃容易通过亲核攻击吸附H₂O₂（相对吉布斯自由能ΔG = 0.06 eV）生成过氧配合物中间体。Cu(II)催化过氧配合物中间体所需的ΔG为0.24 eV，而Cu(II)直接催化H₂O₂的能量为0.38 eV。因此，从理论上验证了Cu(II) + MoO₃共催化剂相比Cu(II)直接催化过程可以降低•OH生成所需的能垒，过氧络合物-中间体的形成显著加快了整个自由基的生成速率。

图3. (a) MoO₃与H₂O₂之间的过氧化物中间体的络合反应；(b) 对应的吉布斯自由能图；(c) Cu(II)+中间体/H₂O₂体系的过氧化物催化反应路径的理论计算示意图；(d) Cu(II)/H₂O₂体系的过氧化物催化反应路径的理论计算示意图；(e) (c)和(d)中各反应步骤的吉布斯自由能图。

4. V-POD-M的体外抗菌性能研究

图4表明，体系中添加的H₂O₂显示出微不足道的抑菌活性。V-POD-M处理的菌落数比POD-M处理的菌落数下降更快，说明病毒状二氧化硅外壳增强了抑菌性能。更重要的是，在V-POD-M浓度为16 µg/mL，H₂O₂浓度为0.1×10^-3 M时，显示出近100%细菌抑制率，表明V-POD-M催化系统附加细菌捕获能力即使在超低浓度下也可以达到完全杀灭细菌的效果。由荧光染色图谱可知，相比于POD-M，V-POD-M显示出显著的细菌捕获能力，这进一步提升了杀菌性能。V-POD-M + H₂O₂对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的最低抑菌浓度均为16 µg/mL，远低于其他组。

图4. (a) 琼脂平板计数相片；(b) 不同处理条件下沙门氏菌的OD₆₀₀值对比；(c) 不同处理条件下大肠杆菌的OD₆₀₀值对比；(d) 不同处理条件下沙门氏菌和大肠杆菌的荧光染色图；(e) 不同材料体系对沙门氏菌的最小抑菌浓度曲线；(f) 不同材料体系对大肠杆菌的最小抑菌浓度曲线。

5. POD-M和V-POD-M捕获细菌能力表征

如图5所示，因为V-POD-M外壳像病毒一样坚韧，作者假设其可以有效捕获细菌，在少量H₂O₂的存在下，通过V-POD-M的协同催化作用，迅速产生剧毒•OH自由基。•OH自由基可以直接扩散到被捕获的细菌中，破坏细菌膜，从而促进ROS的入侵，进而导致DNA损伤。细菌切片和高分辨率TEM成像结果显示，V-POD-M表面的刺突很容易穿透细菌细胞膜，牢牢地捕获细菌（蓝色箭头所示）；且细菌细胞膜呈碎片状（红色箭头所示）。SEM结果进一步显示，在V-POD-M + H₂O₂孵育，细菌形态出现明显的变形和塌陷，说明原位产生ROS可严重破坏被捕获的细菌。

图5. (a) 基于LCK作用的V-POD-M抗菌机制示意图；(b) V-POD-M和V-POD-M + H₂O₂孵育后细菌切片的TEM图像；(c) POD-M + H₂O₂和V-POD-M + H₂O₂孵育细菌的SEM图像。

6. 分子动力学模拟脂膜渗透过程

作者通过分子动力学进一步分析细菌与V-POD-M病毒状粗糙表面之间的相互作用。如图6所示，在脂膜渗透过程中，模拟POD-M平面表面无法侵入膜内，双层膜保持其初始的完整结构。相比之下，模拟的V-POD-M病毒样表面的尖状纳米管很容易刺穿细胞膜，典型的双层结构逐渐被破坏。模拟的两个不同的表面可以在6 ns内接触膜的外部。随后，平面的距离几乎保持不变，而病毒样表面会深入膜的内部。即使在25 ns后，距离曲线仍然没有达到稳定，验证了V-POD-M病毒样表面的强的细菌膜穿透能力。此外，在15 ns时，病毒样刺状表面的相互作用能增加到6500 kJ mol^-1，远远大于平坦表面(3000 kJ mol^-1)。在25 ns后，相互作用曲线仍未达到平衡，表明细菌膜与刺状表面之间存在较强的相互作用。上述结果证明了与扁平的POD-M相比，带有尖刺的V-POD-M更容易附着在细菌膜上，为V-POD-M牢固捕捉细菌提供了更高的可能性。

图6. (a) 模拟的平滑二氧化硅表面的脂质膜渗透过程；(b) 模拟的病毒状二氧化硅表面的脂质膜渗透过程；(c) 脂膜和两个不同的表面之间的距离的时间演化；(d) 脂膜与两个不同表面间相互作用能的时间演化。

7. V-POD-M和抗生素在体内伤口的消毒性能对比

图7显示，接入细菌1天后，伤口严重感染，然后利用V-POD-M+H₂O₂的LCK作用进行短期治疗，化脓创面逐渐恢复，表皮组织迅速再生。相比之下，8天后，V-POD-M+H₂O₂和万古霉素治疗后创面迅速结痂，肿胀减轻。16天后，创面基本愈合。表明V-POD-M+H₂O₂催化体系拥有优异的伤口消毒性能，其治疗效果与万古霉素相当。HE染色结果显示V-POD-M+H₂O₂处理16天后，典型炎症区域消失，且可见大量皮肤成纤维细胞（绿色箭头所示）和新生血管（绿色矩形所示）的再生，证实了V-POD-M+H₂O₂快速有效的伤口消毒能力。新表皮组织未见明显异物反应及V-POD-M积累。此外，家兔的主要脏器的组织切片未发现明显损伤或异常，说明V-POD-M+H₂O₂较好的生物安全性。

图7. (a) 伤口消毒和愈合过程示意图；(b) 不同体系处理下伤口大小随时间的变化；(c) 不同体系处理下伤口的构造、感染、消毒和愈合的数码照片；(d) 治疗16天后各伤口表皮组织切片的HE染色图。

8. 创伤恢复能力的病理及免疫荧光分析

Masson染色结果显示POD-M + H₂O₂、V-PODM + H₂O₂、万古霉素组创面表皮与正常皮肤组织相似，第16天时，V-POD-M + H₂O₂处理组和万古霉素处理组的表皮厚度指数最低且创面胶原纤维和真皮层建立良好。此外，V-POD-M+H₂O₂组和万古霉素组CD31阳性细胞进一步增加，新生毛细血管数量最多。这些数据表明V-POD-M系统能够有效地清除体内创面部位的细菌，从而使创面具有更好恢复能力。

图8. (a) Masson染色的表皮组织切片图像(白色虚线之间的部分为表皮层)；(b) 三维重建的CD31/DAPI染色图像及相应的最大强度投影；(c) 表皮厚度指数（δ1/δ2，δ1：创面表皮平均厚度，δ2：正常表皮层的平均厚度，指数值接近1，说明表皮层更接近正常皮肤）；(d) 创面组织中CD31的表达率；(e) CD31阳性血管数。

综上所述，此工作通过模拟噬菌体激发的LCK作用，开发了一种具有协同ROS催化和高效细菌捕获的病毒状过氧化物酶模拟物（V-POD-M）。这种技术创新有助于开发有效的消毒策略，为取代传统的临床抗生素治疗提供了可能性。实验结果和DFT计算表明，MOFs中负载的MoO₃可以作为过氧络合中间体，加速Cu(II)组分的类芬顿催化活性，显著促进了•OH自由基的生成反应。电镜观察和MD模拟结果表明，病毒样V-POD-M能与细菌膜发生强烈的相互作用，从而容易捕获细菌，实现细菌的局部杀灭。

文中建立的V-POD-M能够彻底根除侵染伤口组织的细菌且显示出有限的毒性，从而保证了其在临床消毒中的潜在应用。总体而言，V-POD-M集成独特的病毒状介孔尖刺和高ROS催化活性，使其具有快速捕获细菌和高效杀菌的特点。因此，在存在少量H₂O₂的情况下，V-POD-M在极低的浓度下对体内和体外都具有高效的消毒性能浓度，与万古霉素的处理效果和回收率相近。凭借廉价、耐用、具有LCK作用的高ROS催化活性等优势，V-POD-M不仅为非抗生素消毒提供了有前途的广谱疗法，而且在可植入设备、复合支架和许多其他生物医学的应用中提供了巨大的可能性。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202005477

图文编辑：颉向红 张亮

图文审核：汪蓉

指导老师：王建龙