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*“纳米酶Nanozymes”公众号2022年6月14日转载本文
*编辑：俞纪元以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿
高分子科学前沿.
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全球化在带来日益繁荣的同时，也比以往更快、更不稳定地传播传染病。一个最典型的例子是当前COVID-19大流行，据世界卫生组织(WHO)称，截至2022年4月5日，全球已出现超过4.9亿确诊病例和6 155 344例死亡，并且这个大流行仍具有高度不可预测性。《感染防控标准指南》建议佩戴个人防护装备(PPE) (包括口罩、防护服、医用手套、护目镜、围裙和防护口罩)，以防止传染病在工作场所传播。尽管可以有效地限制疾病传播，但佩戴PPE并不能完全消除感染的风险，因为PPE材料不能灭活它们拦截的微生物。事实上，如果不定期更换和妥善处理个人防护装备，截获的微生物在PPE内/表面的积累会造成交叉污染，甚至增加病原体传播的风险。因此，开发能够自发灭活所拦截的微生物的下一代PPE材料势在必行。
为了使PPE具有自发和持续的抗菌性，近日，中国科学技术大学张文华、谢斌、熊宇杰、阳丽华与吴宇恩等人合作，将PPE与氧化酶样催化剂结合，可以在不需要任何外部刺激的情况下有效地将O2转化为活性氧(ROS)。研究表明，采用单原子催化剂(SAC)纳米颗粒(Cu-SAC)和银钯双金属合金纳米颗粒(AgPd0.38)作为氧化酶类催化剂的模型，氧化酶类催化剂的加入使PPE能够在不需要任何外部刺激的情况下，使它们拦截的液滴/气溶胶中的细菌失活。值得注意的是，这种方法既适用于纤维和编织的个人防护用品(如商用KN95口罩)，也适用于由固体塑料制成的个人防护用品(如围裙)。这项工作为预防个人防护装备传播传染病提供了一种可行的全球途径。相关工作以“How to Make Personal Protective Equipment Spontaneously and Continuously Antimicrobial (Incorporating Oxidase-like Catalysts)”为题发表在最新一期的《ACS Nano》。
图1. 密度泛函计算结果。
【单原子催化剂的密度泛函计算】
为了证明上述策略对具有自发和持续抗菌活性的PPE的可行性，需要模型氧化酶样催化剂，它可以有效地催化O2转化为具有生物杀菌性的ROS。为此，研究者首先研究了单原子催化剂，单原子催化剂具有良好的催化活性和100%的原子利用率。图1为密度泛函计算结果，根据理论计算，研究者得出结论：氮掺杂石墨烯锚定的铜单原子是一种很好的氧化酶类催化剂，因为它能同时高效地将O2活化为超氧自由基O2-•，并能在不同的配位环境下在氮掺杂碳基材料上恢复其活性位点。
图2. Cu-SAC的制备及其结构表征。
【Cu-SAC的制备及结构表征】
接下来，研究者制备了的Cu-SAC。根据电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)分析，所制备的Cu-SAC的金属载量约为1.0%，通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察，其成功地继承了前驱体ZIF-8的棱形形貌和均匀的尺寸分布 (图2b, c)。在HAADF-STEM条件下，Cu-SAC的放大图像显示，在氮掺杂碳载体中，分散的单个铜原子呈均匀分布的亮点(图2e,f)。Cu-SAC的X射线吸收近边结构(XANES)光谱显示，Cu的K-边位于CuO和Cu箔之间(图2i)，表明Cu在Cu-SAC中的价态介于0和 2之间。
图3. Cu-SAC的氧化酶样活性及抗菌活性。
【Cu-SAC的氧化酶样活性及抗菌性能】
接下来，研究者研究了Cu-SAC是否像它们之前的相似性一样表现出氧化酶样活性。使用二氯荧光素(DCFH)，一种几乎没有荧光的分子，被ROS氧化后变成了DCF，它是明亮的绿色荧光，作为ROS的探针监测Cu-SAC产生ROS的能力，使用ZIF-8作为参考。结果表明，在没有任何外部刺激(如光照、H2O2添加)的情况下，SAC可调节ROS的生成，这与之前关于Fe-SAC和Cu-SAC的报道一致。随后，研究者进行了类似的检测，但用对特定ROS敏感的荧光探针取代了DCFH，从而确定了Cu-SAC产生了哪些ROS种类。图3b和c的结果表明，Cu-SAC生成了O2-•，但没有生成1O2和•OH。
图4. 将Cu-SAC纳入纳米纤维膜提供抗菌活性。
图5. 气流作用下Cu-SAC在织物/PAN/Cu-SAC上的力学稳定性
【织物/PAN/Cu-SAC的抗菌活性】
研究者进一步研究了Cu-SAC进入纤维膜后是否保留了其生物杀灭活性，并因此赋予了产生的纤维膜生物杀灭活性。结果表明织物/PAN/Cu-SAC对所测菌株的灭活率均为>99%，表现出良好的抗菌性能。通过循环实验，进一步证明了织物/PAN/Cu-SAC具有良好的抗菌性能和可重复使用性。7次循环后，杀菌效率(对大肠杆菌)保持稳定(99.9%)，且无明显降解。此外，在气流条件下，检测器上几乎没有观察到Cu-SAC纳米颗粒，在织物上吹落的Cu-SAC/PAN/Cu-SAC的百分比均<0.5%，表明在正常呼吸气流下，将Cu-SAC合并到织物/PAN/Cu-SAC膜中具有良好的附着稳定性。
图6. 将织物/PAN/Cu-SAC插入商用KN95口罩中，作为额外的一层，使其具有自发的抗菌作用。
【织物/PAN/Cu-SAC口罩的抗菌活性】
作为概念验证，研究者展示了织物/PAN/Cu-SAC在口罩等基本个人防护装备中的应用潜力。在一个典型的操作过程中，将口罩暴露于由大肠杆菌悬浮液产生的人工致病性气溶胶中10分钟(图6a,b)。结果发现尽管所有口罩的顶层都能看到活菌，但织物/PAN/Cu-SAC口罩的中间层和第二层的活菌细胞数量明显减少，与KN95口罩相比，几乎没有活菌细胞数量(图6c)。此外，KN95口罩的中间层和第二层仍有大量活菌存在，而织物/PAN/Cu-SAC口罩则没有(图6d)。与商业口罩相比，织物/PAN/Cu-SAC口罩具有更好的杀菌性能。
图7. 在PDMS薄片上涂上类似氧化酶的AgPd0.38纳米颗粒可以消除空气中的细菌。
【小结】
研究者证明了将个人防护用品与氧化酶样催化剂结合是一种可行和简便的策略，可以用于自发和持续抗菌的个人防护用品。Cu-SAC具有广谱抗菌活性。通过静电纺丝将Cu-SAC与PAN结合在一起，形成了一种纳米纤维膜，即织物/PAN/Cu-SAC，该膜以可循环的方式显示出杀菌活性，且不需要任何外部刺激(如光照、H2O2添加)。以商用KN95口罩为材料防护用品模型，将织物/PAN/Cu-SAC置于KN95口罩中作为额外层，可有效清除口罩截获的飞沫和气溶胶中的细菌。这表明可能会增强诸如口罩和防护服等纤维性个人防护装备。此外，进一步使用银钯合金纳米颗粒AgPd0.38作为氧化酶类催化剂的第二个模型，将O2转化为单线态氧样ROS，并将PDMS薄片作为固体塑料制成的PPE的模型，观察到AgPd0.38涂层的PDMS对空气中细菌的有效消除。这表明增强护目镜和围裙等固体个人防护用品的潜力。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c11647
来源：高分子科学前沿
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