ACS Nano | 二维氮化硼平台上铜单原子催化剂抗菌效能提升

铜基抗菌系统利用活性氧（ROS）有效控制病原体，但受限于细胞毒性和铜离子释放引起的耐药性等问题。通过将铜单原子催化剂（Cu SACs）锚定在生物相容性氮化硼（BN）纳米片上，我们构建了一个稳定、高效抗菌平台，最大限度地减少铜离子诱导的细胞毒性和细菌耐药性。该配置最大化金属利用，并提升 ROS 生成（包括羟基自由基和超氧化物阴离子）的光催化效率。缺陷辅助的铜和苯之间的共价键确保稳定配位，防止金属离子溶解。密度泛函理论（DFT）层面的第一原理量子计算为 ROS 生成的结构和机制提供了关键见解，展示了 Cu 和 BN 表面原子级相互作用如何增强催化活性，并澄清了对 ROS 形成至关重要的电子转移过程和吸附能。这些见解解释了观察到的催化行为，并为开发高效、低毒性的 SAC 抗菌系统提供了宝贵的设计原则。此外，我们还在实验和理论上研究了同一排的其他元素（铬、锰、铁、铓、镍和锌）。d-BN-Cu 系统在暴露于阳光下，15 分钟内对 d-BN-Cu_1（Cu， 含 Cu 纳米簇时 0.26 处）失活，30 分钟内使 d-BN-Cu 3（Cu，0.024 处失活，含 Cu SAC 时）在阳光下取得显著效果。 虽然更高的铜含量能实现更好的抗菌效果，但也存在其他潜在风险，如金属离子浸出和更高的细胞毒性。 通过使用 SACs 可以有效避免这种风险，因为所有 Cu SACs 都通过共价键牢固地锚定在氢-BN 的缺陷位点上。细胞毒性测试和体内检测强调 d-BN-Cu₃（SAC）在安全性与效率平衡方面的独特优势。该 SAC 二维平台不仅能有效对抗革兰氏阴性和革兰氏阳性菌，还能有效避免金属本身引起的毒性。该研究以题为“Enhanced Antibacterial Efficacy of Copper Single-Atom Catalysts on a Two-Dimensional Boron Nitride Platform”发表在ACS Nano上。

(a) d-BN-Cu 合成方法的示意图，(b) d-BN 和 d-BN-Cu 3 的 HAADF-STEM 图像及 Cu 映射，显示 Cu 在 d-BN-Cu 3 纳米片上的均匀分布。(d) d-BN、d-BN-Cu 1、d-BN-Cu 2 以及 d-BN-Cu 的 XPS 光谱 (c) EDS。(e) d-BN、d-BN-Cu 1、d-BN-Cu 2 及 d-BN-Cu 3 的 Cu 2p XPS 光谱。（由于 Cu 含量较低，我们对 d-BN-Cu 2 的信号进行了平滑处理并将 d-BN-Cu 3 的 XANES 光谱信号强度提高了三倍，d-BN-Cu 3 的信号强度提高了五倍）。(f) 归一化 Cu K 线光谱。(g) d-BN-Cu 3 的相应 FT-EXAFS 拟合曲线。(h) BN 和 d-BN 的 FTIR 光谱。(i) 负载不同 Cu 浓度的 BN 的 ζ 电位。

(a) 负载各种金属离子（Co、Cr、Fe、Mn、Ni、Zn、Cu）的d-BN对大肠杆菌的抗菌活性，通过菌落计数进行评估。负载铜的d-BN（d-BN-Cu）显示出最强的杀菌效果。细菌溶液浓度为10^6 mL⁻¹ CFU，置于恒温振荡培养箱中培养（37°C/120 rpm）3小时。培养后的混合溶液稀释100倍后进行接种培养和计数。d-BN、d-BN-Cu 1对大肠杆菌(b)和金黄色葡萄球菌(c)的抗菌率。(d) d-BN、d-BN-Cu 3、d-BN-Cu和d-BN-Cu 1 2、d-BN-Cu 3、d-BN-Cu 4在模拟光照条件（400−1076 nm, AM 1.5 G, 100 mW cm⁻²）下对大肠杆菌的抗菌效果测试。暗组在室温处理并避光。上述抑菌实验的空白对照为生理盐水与细菌混合液，抗菌材料工作浓度为100 ppm。(e) 对照组、d-BN-Cu 1 以及d-BN-Cu 3在太阳模拟器下浓度为100 ppm时的光热效果及光热图。(f)

(a) d-BN-Cu 抗菌机制示意图。(b) SEM 下抗菌材料处理前后大肠杆菌的形态。(c,d) d-BN-Cu 在光照和非光照条件下的 ROS 生成 EPR 分析，显示在光照下 •OH 生成增强。(e,f) 使用 EPR 测试 d-BN-Cu 在光照和非光照条件下对 •O₂ 的催化作用。

小鼠细菌感染炎症创伤恢复率的统计图，包括 (a) 大肠杆菌和 (b) 金黄色葡萄球菌。在小鼠感染细菌后的第1天，进行分组并分别给予 d-BN、d-BN-Cu3、d-BN-Cu 以及生理盐水（对照）接种。(c) 在金黄色葡萄球菌感染实验中，对照组和 d-BN 组小鼠的创伤图像。(d) 感染后第3天，每组取一只小鼠切片并进行H&E染色

使用混合密度泛函理论计算在超胞中加入感兴趣的缺陷后，BN的结构和电子特性的演变。(a) 优化几何结构（透视图、侧视图和顶视图）和 (b) 自旋极化原子投影态密度（DOS），相对于真空对齐，用于以下结构：纯净结构、氮空位（v N 连接到硼 v N {3B}−O b1‑B）、氮空位与硼键合的铜（v N {3B}−Cu b1‑B）、氮空位与氧，以及氮空位与氧和硼键合的铜（v N {3B}−O b1‑B −Cu b2‑B,B）。这些缺陷是在 4 × 4 晶格中计算的。(c) 优化几何结构和 (d) 自旋极化原子投影DOS，对“多缺陷”感兴趣，从 v N {3B}−O 42205 b1‑B −Cu b2‑B,B 缺陷为起点，添加 Cu N、N B 和 O。

总结

抗生素滥用带来的细菌耐药性问题，正成为全球公共健康领域最棘手的挑战之一。面对这一困局，科学家们开始把目光投向一种截然不同的抗菌策略——利用活性氧物种来杀灭细菌，这种方式不易诱导耐药性，也因此成为研究热点。然而，传统的铜基抗菌材料在实际应用中并不完美：金属纳米颗粒容易团聚，催化效率大打折扣，而铜离子的释放还可能带来环境风险和细胞毒性。

近日，来自清华大学深圳国际研究生院等单位的研究团队在《ACS Nano》上发表了一项研究，巧妙地将铜单原子催化剂锚定在二维氮化硼纳米片上，构建出一种兼具高效与安全性的新型抗菌平台。研究团队通过低温冷冻球磨技术对氮化硼进行缺陷工程处理，引入大量羟基官能团，使其表面能够稳定捕获铜离子，并形成B-O-Cu的配位结构。在模拟太阳光照射下，仅含0.024 at.%铜的材料便能在30分钟内彻底灭活10⁶ CFU/mL的大肠杆菌，杀菌效率惊人。电子顺磁共振分析显示，材料在光照下能高效催化生成羟基自由基和超氧阴离子，破坏细菌的细胞膜和蛋白质。理论计算进一步揭示，B-O-Cu结构优化了电子传递路径、缩小了带隙，从而显著提升光催化活性。细胞毒性实验和小鼠伤口感染模型也表明，该材料在保持高效杀菌的同时，对人体细胞毒性低，还能有效促进感染伤口的愈合。这项研究不仅为应对耐药菌感染提供了一种新思路，也为单原子催化剂在生物医学领域的应用打开了更广阔的空间。

参考文献：

DOI: 10.1021/acsnano.5c13145