氮空位调控的氮化钨过氧化物纳米酶及其在细菌感染治疗中的应用

细菌感染每年影响数百万人，已成为全球范围内严重的公共卫生挑战。由于抗生素的过度使用，“超级细菌”的出现引发了多重耐药性问题。因此，亟需开发新的抗菌策略和治疗手段。纳米酶抗菌疗法作为一种新兴的抗菌方法，因其广谱抗菌性能且不易引发耐药性，得到了广泛关注。纳米酶抗菌疗法通常利用具有内在拟酶催化活性的人工纳米材料，催化H2O2或O2生成活性氧自由基（ROS），ROS以其强效的杀菌能力有效消灭病原体，同时避免了耐药性问题的产生。纳米酶种类繁多，其多样的组成结构使得解析其结构与功能关系面临重大挑战，而这种关系的厘清对纳米酶的系统设计至关重要。纳米酶的催化效率本质上取决于其内部结构和组成特性。目前，纳米酶活性研究的重点主要集中在金属活性位点的作用上。

济南大学的于欣课题组及其合作团队长期致力于纳米酶的机制及应用研究。通过缺陷调控了MoS2的纳米酶活性，实现了光增强的三种拟酶催化活性（类氧化酶、类过氧化物酶和类过氧化氢酶）协同抗菌（Adv. Mater. 2020, 48, 2005423）；通过氮掺杂进一步增强了其酶活性，开发出酶比色法实现生理环境下生物大分子精确检测（Anal. Chem. 2021, 93, 11123）；进一步受到生物酶活性中心（通常基于金属-氮配位，如Fe-N、Mn-N等）的启发，提出了一种通过引入非金属氮元素来增强金属纳米酶酶活性的策略。研究表明，氮掺杂能够显著提升材料的纳米酶活性，通过制备氮化物材料，使其获得纳米酶活性（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 25328-25338）；并且撰写了综述文章（Adv. Powder Mater. 2024, 3, 100191），系统探讨了氮元素调控纳米酶活性的复杂机制，详细阐明了氮空位、氮掺杂、氮配位及氮化物等不同氮元素调控形式。此外，文章还全面综述了氮元素调控纳米酶在传感检测、感染治疗、肿瘤治疗及污染物降解等实际应用中的研究进展。

在此基础上，济南大学于欣、王爱珠研究团队与国家纳米科学中心刘晶研究员合作，制备了氮化钨（WN）纳米酶，并研究了其在杀菌治疗方面的应用。首先通过密度泛函理论计算揭示了氮元素在调控钨化氮（WN）纳米酶活性中的关键作用。氮化物的形成赋予材料纳米酶功能，而氮空位的精确调控在H2O2催化降解过程中有效稳定了OH*晶格吸附状态，促进了解吸动力学，降低了活性氧（ROS）生成的能垒，从而显著提升了催化效率。此外，氮空位的引入进一步增强了材料的酶活性。在结构上，所得WN材料呈现纳米花状形貌，有助于纳米片紧密附着于细菌表面，通过物理损伤和拓扑效应强化细菌捕获。同时，WN的高效酶类催化能力能够迅速引发自由基反应，精准灭活附着在材料表面的细菌，从而有效抑制生物膜的形成并遏制细菌的增殖。凭借优异的生物相容性，WN材料在治疗细菌感染伤口方面展现出巨大的应用潜力，能够显著加速感染伤口的愈合过程。

研究成果以“Nitrogen Vacancy Modulation of Tungsten Nitride Peroxidase-Mimetic Activity for Bacterial Infection Therapy”发表在了国际权威期刊ACS Nano上，通讯作者是济南大学于欣教授、王爱珠副教授与国家纳米科学中心的刘晶研究员。上述研究工作的得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院百人等计划的支持。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.4c07856

来源：济南大学