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摘要纳米催化医学是通过生物相容性的纳米材料催化病理区的反应，实现对疾病诊断和治疗。其中，设计高效低毒的催化剂是纳米催化治疗的关键。单原子催化剂可以看作是在原子水平上精确设计纳米材料的极限。因金属原子的单分散状态以及高不饱和的配位结构使单原子催化剂具有高密度的活性位点、清晰的结构-活性的关系和在极低剂量下优异的催化活性。因此，单原子催化剂成为纳米催化医学中的理想催化剂。<br>　　双金属协同的单原子催化剂金属周围电子重新排布，达到金属原子与反应物、中间产物、产物最优化的反应状态，因此可以显著提升催化效率。本研究制备了三种Fe/Co基单原子催化剂:单原子Fe孤立分散在N掺杂的碳材料上(Fe-Single isolated atom dispersed on nitrogen doped carbon support, Fe-SIA/NC)、单原子Co孤立分散在N掺杂的碳材料上(Co-Single isolated atom dispersed on NC，Co-DIA/NC)和双金属单原子Fe和Co孤立分散在N掺杂的碳材料上(FeCo-Dual isolated atom dispersed on NC，FeCo-DIA/NC)，对其进行了系统的表征、催化活性测试和催化机制分析，并对其光热效应和稳定性进行评价。基于以上性能测试和分析，对三种Fe/Co基单原子催化剂抗肿瘤活性和抗菌活性进行了研究。主要内容有:<br>　　(1) Fe/Co基单原子催化剂的制备与表征。通过物相分析、微观形貌观察初步证明Fe/Co基单原子催化剂中不存在金属颗粒、金属氧化物和金属碳化物。进一步通过球差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜观察到Fe/Co基单原子催化剂中金属元素Fe和Co以单原子状态分散在载体上，双金属的FeCo-DIA/NC可能存在FeCo双金属原子对。X射线吸收光谱对双金属的FeCo-DIA/NC的精确配位结构研究表明，在FeCo-DIA/NC中存在Fe-N4和Co-N5的配位结构，此研究为后续分析结构-活性关系奠定了基础。<br>　　(2) Fe/Co基单原子催化剂的催化活性检测及催化机制分析。Fe/Co基单原子催化剂FeCo-DIA/NC、Fe-SIA/NC和Co-SIA/NC具有较高的类多酶活性，可以催化H2O2生成O2（类过氧化氢酶活性）、·OH（类过氧化物酶活性）、O2·-（类氧化酶活性）和1O2（类Fenton反应），并能够在无需外界能量输入的情况下并行催化O2产生O2·-。通过一系列催化活性研究的实验，得到FeCo-DIA/NC中单原子Fe和Co的协同作用和“分工”的催化机制。即:单原子Fe主要催化产生·OH和O2·-，而单原子Co主要催化类Fenton反应产生1O2。采用密度泛函理论，构建Fe-N4和Co-N5活性中心结构，从理论计算角度阐述了催化反应机理，实现实验结果和理论模拟的相互验证。<br>　　(3) Fe/Co基单原子催化剂的光热效应和稳定性评价。通过多角度对三种Fe/Co基单原子催化剂的光热效应评价可以得到三种Fe/Co基单原子催化剂均为光热性能较好的光热剂。在催化剂变性条件下和多次催化循环后三种Fe/Co基单原子催化剂的催化活性几乎没有降低且X射线吸收光谱测试FeCo-DIA/NC活性中心结构保持稳定，具有较好的催化稳定性和重现性。透明质酸(Hyaluronic acid，HA)修饰的三种Fe/Co基单原子催化剂FeCo-DIA/NC@HA、Fe-SIA/NC@HA和Co-SIA/NC@HA的能够在不同温度和不同模拟的生理环境下稳定存在24 h，为后续生物医学的应用奠定了基础。<br>　　(4) HA修饰的Fe/Co基单原子催化剂的抗肿瘤活性研究。在较低的浓度下Fe/Co基单原子催化剂通过催化肿瘤组织中的反应产生大量的活性氧(Reactive oxygen species，ROS)，有效诱导细胞凋亡。在对荷瘤裸鼠的催化治疗中， FeCo-DIA/NC@HA治疗组的肿瘤生长明显被抑制，表明在单原子Fe和Co的协同和“分工”机制下在实体瘤内仍能表现出类多酶活性。结合弱酸性的肿瘤微环境，形成的“ROS cycle”的催化治疗肿瘤的机制，能够最大程度的催化肿瘤微环境中的H2O2产生ROS，提高肿瘤治疗效果。通过荧光标记示踪FeCo-DIA/NC@HA体内分布结果表明，FeCo-DIA/NC@HA在纳米材料的被动聚集效应和HA的主动靶向性的双重肿瘤靶向作用下，大量聚集在肿瘤组织中发挥催化治疗效果，有效的避免Fe/Co基单原子催化剂对正常组织的毒副作用。<br>　　(5) HA修饰的Fe/Co基单原子催化剂的抗菌活性研究。体外抗菌活性实验中Fe/Co基单原子催化剂的催化治疗与结合光热治疗联合能够达到100％的抑菌效果。进而通过对HA修饰的Fe/Co基单原子催化剂一系列的抗菌机制研究得到ROS主要作用于细菌细胞膜的表面结构，使其出现明显的塌陷;而光热治疗则破坏细菌细胞膜的骨架结构导致细胞膜破裂。光热升温效应能够杀伤细菌，破坏细菌细胞膜结构，同时可以提高催化反应速率，达到协同治疗效果。Fe/Co基单原子催化剂能够有效的促进小鼠伤口感染的愈合且未发现有明显的毒性。<br>　　总之，本研究通过系统的表征Fe/Co基单原子催化剂的原子分散状态和精确配位结构的表征，证明三种Fe/Co基单原子催化剂制备成功。Fe/Co基单原子催化剂均有较高的催化活性、光热效应和良好的稳定性。其中双金属FeCo-DIA/NC中Fe和Co原子的协同作用和“分工”的催化机制能够显著提高催化效率，进一步理论计算验证了双金属的FeCo-DIA/NC中Fe和Co原子的催化作用机制。基于以上研究和病理区微环境，三种Fe/Co基单原子催化剂能够在极低的浓度下，表现出高效的生物医学活性。其中，双金属的FeCo-DIA/NC形成“ROS cycle”的催化机制极大提高了催化治疗肿瘤的效果，联合光热效应进一步提高催化反应活性，达到有效抗菌作用。因此三种Fe/Co基单原子催化剂是具有医学应用潜力的新型高效低剂量的单原子催化剂。