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凹凸棒石矿物复合纳米酶活性及抗菌性能研究

摘要细菌感染是全球第二大致死原因。纳米酶是模拟天然酶功能的纳米材料,其中过氧化物纳米酶可催化H2O2为强氧化性的·OH,从而实现抗菌、检测、治疗等应用。然而,当前多数纳米酶活性较低,而活性较高的单原子纳米酶存在制备困难、成本较高、易团聚等问题。本论文基于优选的天然纳米矿物凹凸棒石(ATP),通过溶液法、水热法等制备了活性逐步提高的矿物复合纳米酶,并将其应用于抗菌等,同时系统地研究了 ATP本征酶活性、双金属负载的协同作用、ATP的载体效应对于MoS2表面态的影响、孔道结构与底物吸附的关系等。该工作为新型纳米酶的构建及矿物的高值化利用提供借鉴。<br>  (1)在对六种典型天然纳米矿物进行类酶活性及细胞毒性测试的基础上,筛选ATP作为目标研究矿物。研究表明ATP的过氧化物酶活性符合Michaelis-Menten动力学特征并具有温度、pH依赖性,比活性为0.079 U·mg-1,并揭示ATP主要活性中心为Fe,且发现不同地区、相同Fe含量的ATP活性存在差异的原因为Fe2+/Fe3+比例的不同。此外,研磨、热、酸处理均可提高Fe在ATP中的占比,进而提高ATP的活性。<br>  (2)为改善活性,通过溶液法将Fe及Cu负载至ATP表面得到Fe-Cu/ATP。相较于ATP,Fe-Cu/ATP具有增大的Fe及Cu含量、更好的分散性,比活性达0.304 U·mg-1。其较ATP显示出对H2O2更低的米氏常数(Km),即更好的亲和力。研究揭示ATP表面活性元素的引入以及双金属协同提高电子密度的作用改善了 Fe-Cu/ATP的类酶活性。此外,Fe-Cu/ATP具备双重抗菌效应,包括较为快速的纳米酶抗菌及长效的金属抗菌。<br>  (3)为进一步提高类酶活性,通过水热法制备了Fe-ATP-MoS2(FAM)。FAM的比活性为12.38 U·mg-1,活性中心效率为Fe-MoS2的4.25倍。ATP的载体效应可提高纳米酶表面态并增加活性中心的电子云密度。此外,ATP的孔结构可增加纳米酶与底物的亲和力。研究还发现,若底物被氧化后尺寸增大,则有利于其反应后解吸,进而加速循环。当FAM使用浓度为2 μg·mL-1及10 μg·mL-1时,对E.coli及S.aureus的杀菌率分别达99.3%及95.0%。基于FAM的比色系统可对0.65-41.67 μM的谷胱甘肽实现良好检测响应。<br>  (4)在制备高效纳米酶的基础上进一步探索其应用场景。通过共混法制备了葡萄糖-葡萄糖氧化酶-FAM(GLU-GOD-FAM)以解决使用纳米酶时需外界调控pH及外加H2O2的问题,构建了遇水产生有效杀菌活性的复合抗菌敷贴级联反应系统。其处理E. coli及S.aureus 2h的杀菌率分别高达99.3%及99.7%。复合抗菌敷贴处理的第10天,伤口达到良好愈合效果,皮肤附属物的生长基本完成,有望在户外运动或野外作战过程中应用。

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中国地质大学(北京) 材料科学与工程 材料科学与工程(博士) 2024年
发布时间 2025-01-08(万方平台首次上网日期,不代表论文的发表时间)
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