文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.2c02803
细菌感染仍然严重危害全球公共卫生安全,每年困扰着数百万人。抗生素的滥用导致多重耐药性迅速增加,这给抗菌治疗带来了巨大挑战。因此,开发新型抗菌功能材料成为迫切需求。纳米酶是一类本身蕴含酶学特性的纳米材料,能够催化底物产生强氧化性的活性氧物种杀死细菌,从而在抗菌治疗领域展现出广阔的应用前景。其中,尖晶石铁氧体因具有细胞毒性小和催化活性可调控等优点,已逐渐成为纳米酶抗菌治疗领域的热门材料。铁氧体中阳离子占位对其催化活性起着决定性的作用,然而,离子电荷、晶体场稳定化能和反应温度等因素使铁氧体中阳离子占位充满不确定性,这使得铁氧体中活性位点的确定和类酶活性提升的机制研究充满了挑战。
研究方案
天然纳米黏土矿物具有独特的结构特点和丰富的表/界面反应特性,在纳米材料的结构和性能调控方面有广泛的应用。基于纳米黏土(即蒙脱石K10)的结构和表面特性,本文提出了一种通过蒙脱石K10调控锰铁氧体(MFO)中阳离子占位从而提升其类酶催化活性的创新策略。实验结果表明,蒙脱石K10主要改变锰铁氧体中锰离子的价态和占位而非铁离子。相较于MFO而言,复合材料中K10的引入提升了MFO中Mn(II)的比例,导致更多的Mn(II)迁移到四面体位点。Mn(II)促进Fe(III)还原,从而加快羟基自由基生成,使其类酶催化活性显著提升。新制备的复合材料在体外抗菌和伤口愈合中都取得了令人满意的结果。该工作为仿酶无机纳米材料的可控制备提供了新的思路。
研究成果
1、蒙脱石/铁氧体复合材料的制备和表征
扫描电镜和透射电镜照片显示铁氧体均匀分散在蒙脱石表面。X射线粉末衍射结果表明蒙脱石/铁氧体复合材料成功制备。Mn 2p和Fe 2p高分辨率XPS谱图结果表明,蒙脱石的引入增加了Mn(II)的比例及八面体位点Fe3+的相对比例。
图1 MFO和K10/MFO的制备和表征。(a)MFO和K10/MFO的合成示意图。K10/MFO-150的(b)SEM,(c)TEM、HRTE图片和SAED图片。(e)MFO和K10/MFO-150的Mn 2p和Fe 2p高分辨率XPS谱图。
2、蒙脱石对铁氧体中阳离子价态和占位的影响
Mn和Fe 的K-edges XANES谱图测试结果显示,蒙脱石的引入使锰离子价态降低而几乎不影响铁离子价态。R空间EXAFS拟合曲线结果证明蒙脱石主要改变了锰离子的配位环境而非铁离子,蒙脱石的加入使更多锰离子迁移到四面体位点。Mn和Fe配位构型的变化可以从小波变换图更直观的看出。
图2 MFO和K10/MFO-150中Fe和Mn空间配位构型的确定。(a)Mn和Fe 的K-edges XANES谱图。MFO和K10/MFO-150的(b)k空间和(c)R空间EXAFS拟合曲线。(d)MFO和K10/MFO-150的小波变换图(R空间)。
3、类酶催化活性和稳态动力学测试
类酶活性测试结果表明,蒙脱石的引入主要使铁氧体的类过氧化物酶活性增强而非类氧化酶活性。动力学稳态测试结果证实蒙脱石对铁氧体类酶活性的提升主要得益于增强了与底物之间的亲和力。
图3 MFO和K10/MFO-150的类酶活性和稳态动力学测试。(a)不同材料的类过氧化物酶和类氧化酶活性测试。(b)K10/MFO-150和(c)MFO对H2O2和TMB的稳态动力学测试。
4、体外抗菌性能
体外抗菌实验结果表明,蒙脱石/铁氧体复合材料具有优异的广谱抗菌活性,并且蒙脱石的引入增强了铁氧体的抗菌活性。这得益于蒙脱石的引入有利于铁氧体分解过氧化氢产生更多的强氧化性的羟基自由基。以TA为探针分子证实了羟基自由基的生成。蒙脱石/铁氧体复合材料只有在加入葡萄糖时才表现出明显的抗菌活性,这是由于葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下分解产生过氧化氢,过氧化氢被复合材料分解产生羟基自由基。蒙脱石/铁氧体复合材料+葡萄糖氧化酶+葡萄糖实验组处理大肠杆菌和金黄色葡萄球菌后使其胞内活性氧含量较对照组显著增加。
图4(a)不同浓度样品处理后金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的存活率。(b)不同条件下用K10/MFO-150分别处理大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的琼脂平板照片。(c)有、无葡萄糖对细菌形貌的影响及对应的细菌活死双染图片。(d)不同材料和反应条件下检测羟基自由基。(e)不同样品处理后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌胞内ROS的检测。
5、皮肤伤口感染模型
将制备的蒙脱石/铁氧体复合材料处理小鼠皮肤感染伤口,该复合材料较其他对照组表现出明显的促愈合效果。复合材料处理伤口的面积明显减小,且在实验过程中小鼠体重无明显波动。复合材料处理后的伤口组织切片染色结果显示无红肿和明显炎症,而其他对照组表现出不同程度的红肿或炎症。溶血实验结果表明复合材料具有令人满意的生物相容性。
图5 (a)伤口感染和治疗过程示意图。不同材料处理后伤口(b)、面积(c)和体重(d)的变化情况。(e) 不同材料处理后伤口组织的H&E染色照片。(f)不同材料浓度下的溶血率。
该工作为仿酶无机纳米材料的可控制备提供了新的思路。