科學(xué)通報(bào) | 生物醫(yī)藥用單原子催化劑的限域載體及其調(diào)控機(jī)制

自2011年由我國(guó)科學(xué)家提出“單原子催化”概念以來，單原子催化劑在能源、環(huán)境以及生物醫(yī)藥領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。相比于納米粒子或納米團(tuán)簇，單原子催化劑具有最大化的原子利用率、獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)以及增強(qiáng)的催化活性/選擇性等優(yōu)勢(shì)。尤其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，金屬基單原子催化劑具有一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，即在復(fù)雜的生理環(huán)境下不會(huì)產(chǎn)生由大量金屬離子聚集引發(fā)的生物毒性。盡管研究者們已對(duì)不同種類的單原子催化劑在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述，但大多數(shù)報(bào)道集中在單原子催化劑的制備方法及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

近日，華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院牛德超教授課題組在《科學(xué)通報(bào)》“生物醫(yī)用納米材料專題”發(fā)表題為“生物醫(yī)藥用單原子催化劑的限域載體及其調(diào)控機(jī)制”的綜述文章，從單原子催化劑限域載體的角度，全面系統(tǒng)評(píng)述了單原子催化劑的限域載體類型、調(diào)控機(jī)制以及在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的最新應(yīng)用進(jìn)展。

作者首先歸納總結(jié)了近年來在生物醫(yī)藥用單原子催化劑的限域載體類型。基于生物醫(yī)藥領(lǐng)域催化劑載體小粒徑與高生物相容性的需求，著重介紹了金屬及其化合物載體、金屬有機(jī)框架材料為主的碳基載體以及新型硅基載體等單原子限域載體的合成研究進(jìn)展（圖1）。

圖1限域載體負(fù)載單原子催化劑的示意圖

然后，作者重點(diǎn)討論了生物醫(yī)藥用單原子催化劑的原子價(jià)態(tài)及其配位結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控機(jī)制之間的相互關(guān)系。單原子活性位點(diǎn)受到如價(jià)態(tài)、配位原子數(shù)、配位原子類型（雜原子取代）以及第二殼層配位結(jié)構(gòu)等因素的影響，為高效、安全的生物醫(yī)藥用單原子催化劑制備提供新的思路和途徑。

隨后，作者概述了不同種類單原子催化劑在不同疾病模型中（如感染難愈創(chuàng)面、腫瘤、關(guān)節(jié)炎性疾病）以及生物成像、生物傳感等領(lǐng)域的研究進(jìn)展（表1）。單原子催化劑在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于其獨(dú)特的原子級(jí)結(jié)構(gòu)、高效的催化性質(zhì)和良好的生物安全性，這些特性為開發(fā)新型高效和選擇性強(qiáng)的生物催化劑提供了新的策略。

表1近年來已報(bào)道的單原子催化劑的化學(xué)組成、載體類型、生物性能以及生物應(yīng)用領(lǐng)域

最后，作者指出了當(dāng)前生物醫(yī)用單原子催化劑發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。主要包括：現(xiàn)有單原子催化劑的制備成本較高；長(zhǎng)期生物安全性評(píng)價(jià)還需進(jìn)一步驗(yàn)證；復(fù)雜生理環(huán)境下的催化活性的增強(qiáng) / 失活機(jī)制以及長(zhǎng)期的生物穩(wěn)定性問題亟需重點(diǎn)關(guān)注；類酶催化活性與天然酶相比還存在較大的差距。盡管生物醫(yī)用單原子催化劑仍存在著上述問題，但是未來通過與材料科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科深度融合，研究人員有望開發(fā)具有更高活性、選擇性、生物相容性和生理環(huán)境下穩(wěn)定的單原子催化劑，以實(shí)現(xiàn)不同疾病的高靈敏診斷和高效治療。

文章信息

徐世宇, 尹思源, 牛德超. 生物醫(yī)藥用單原子催化劑的限域載體及其調(diào)控機(jī)制. 科學(xué)通報(bào), 2025, 70(23) 3843–3859

doi: 10.1360/TB-2024-1233

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