二维氮化硼平台上铜单原子催化剂的增强抗菌效果

Enhanced Antibacterial Efficacy of Copper Single-Atom Catalysts on a Two-Dimensional Boron Nitride Platform.

作者信息Wenbo Li, Daniel Maldonado-Lopez, Yingcan Zhao, Cong Wang, Jianxiang Gao, Bowen Sun, Yichao Bai, Linxuan Sun, Mingchuang Zhao, Haoqi He, Jiatao Lou, Qiangmin Yu, Xi Zhang, Vijay Kumar Pandey, Feiyu Kang, Mauricio Terrones, Jose L Mendoza-Cortes, Yu Lei

PMID41369934

期刊ACS Nano

发布时间2025-12-23

DOI10.1021/acsnano.5c13145

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实验完整度

高

包含材料合成、结构表征（STEM/EXAFS）、抗菌活性、光催化、机制验证（EPR）、细胞毒性及体内伤口感染模型等多个独立证据层级，并提供DFT模拟支持机制。

主要模型

大肠杆菌（E. coli ATCC 25922）金黄色葡萄球菌（S. aureus ATCC 6538）小鼠伤口感染模型 MCF10A、BEAS-2B、HPDE6-C7正常细胞系

重点核对

Cu负载形式：d-BN-Cu3为单原子，d-BN-Cu1为纳米团簇（0.26 at.% vs 0.024 at.% Cu）抗菌实验条件：100 ppm材料，106 CFU mL–1细菌，37°C/120 rpm，共培养3小时光催化抗菌条件：太阳光模拟器（400-1076 nm，AM 1.5 G，100 mW cm–2），光照时间15或30分钟体内实验：小鼠伤口感染模型，细菌浓度107 CFU mL–1，10 μL滴加，材料浓度100 ppm，100 μL 细胞毒性：IC50 > 100 ppm for all tested cell lines；实验中至少4个复孔

摘要

铜基抗菌系统利用活性氧（ROS）实现对病原体的有效控制，但受限于铜离子释放引起的细胞毒性和耐药性等问题。通过将铜单原子催化剂（Cu SACs）锚定在生物相容的氮化硼（BN）纳米片上，我们构建了一种稳定、高效的抗菌平台，可最大限度地减少铜离子诱导的细胞毒性和细菌耐药性。该构型最大化金属利用率，并提高光催化生成ROS（包括羟基自由基和超氧阴离子）的效率。Cu与BN之间的缺陷辅助共价键确保了稳定的配位，防止金属离子溶解。基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理量子计算为ROS生成的结构和机制提供了关键见解，揭示了Cu与BN表面之间的原子级相互作用如何增强催化活性，并阐明了ROS形成所必需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基抗菌系统提供了有价值的设计原则。此外，我们还通过实验和理论研究了同一周期的其他元素（Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Zn）。d-BN-Cu系统快速灭活大肠杆菌（10^6 CFU mL–1），在阳光下，d-BN-Cu1（Cu，0.26 at. %，含Cu纳米团簇）在15分钟内达到显著效果，d-BN-Cu3（Cu，0.024 at. %，含Cu SAC）在30分钟内达到显著效果。虽然更高的铜含量可以实现更好的抗菌效果，但也带来其他潜在风险，如金属离子浸出和更高的细胞毒性。通过利用SAC，可以有效避免这种风险，因为所有Cu SAC都通过共价键牢固锚定在h-BN的缺陷位点上。细胞毒性测试和体内测试强调了d-BN-Cu3（SAC）在平衡安全性和效率方面的独特优势。这种SAC二维平台不仅能有效对抗革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌，还能有效避免金属本身引起的毒性。

材料合成与表征

制备缺陷氮化硼（d-BN）并负载Cu单原子，验证其结构、价态和配位环境。

通过低温球磨法制备d-BN，然后将其浸泡在不同浓度的CuSO4溶液中还原负载铜。通过HAADF-STEM、XPS、XANES、EXAFS、FTIR和Zeta电位等表征材料。

抗菌活性测试

评估d-BN-Cu系列对革兰氏阴性和阳性菌的抗菌效果。

使用CFU计数法，将材料与细菌共培养后涂板计数，比较不同金属和不同Cu负载的抗菌率。

光催化抗菌性能

评估在模拟太阳光下d-BN-Cu的快速杀菌能力。

使用太阳光模拟器，将材料与细菌混合后光照，然后涂板计数，同时用红外相机监测温度变化。

机制分析

研究抗菌机制，包括物理损伤和ROS生成。

使用SEM观察细菌形态变化，用EPR检测羟基自由基、超氧阴离子和单线态氧的产生。

生物安全性评估

评估材料对正常细胞的毒性及其在体内促进伤口愈合的效果。

使用MCF10A、BEAS-2B、HPDE6-C7细胞进行细胞毒性实验，测定IC50；建立小鼠伤口感染模型，观察伤口愈合率并进行H&E染色。

理论计算

通过DFT计算揭示Cu SAC在BN上的稳定配位和ROS生成机制。

使用CRYSTAL23和HSE06泛函，计算不同缺陷结构的电子结构、能带和态密度，评估其光催化潜力。

实验环节	名称	品牌	货号
材料合成	SPEX 6775冷冻研磨机	SPEX	6775
细胞毒性测定	alamarBlue试剂	Invitrogen	DAL1025
酶标仪	Tecan	SPARK 10M
光催化抗菌实验	太阳光模拟器	Zolix	Sirius-SS300A-L

实验环节

名称

品牌

货号

材料合成

SPEX 6775冷冻研磨机

SPEX

6775

细胞毒性测定

alamarBlue试剂

Invitrogen

DAL1025

酶标仪

Tecan

SPARK 10M

光催化抗菌实验

太阳光模拟器

Zolix

Sirius-SS300A-L

环节	核对要点
材料合成	球磨时间（本文为120分钟），CuSO4浓度（0.01-0.0005 M），反应时间（3小时），离心转速（8000 rpm），干燥条件（60°C，2天）阅读提示：Methods中Cryomilling和Metal Reduction部分
抗菌实验	细菌浓度（106 CFU mL–1），材料浓度（100 ppm），共培养温度（37°C）、转速（120 rpm）、时间（3小时）阅读提示：Methods中Antibacterial Experiment部分
光催化抗菌实验	光强度（100 mW cm–2），波长范围（400-1076 nm），材料浓度（100 ppm），细菌浓度（106 CFU mL–1），光照时间（15或30分钟）阅读提示：Methods中Photocatalytic Antibacterial Experiment部分
ROS检测	样品浓度（500 ppm），捕获剂DMPO浓度（100 mM），溶剂（水或甲醇），光照时间（1分钟）阅读提示：Methods中Detection of ROS部分
细胞毒性实验	细胞系（MCF10A、BEAS-2B、HPDE6-C7），种植密度（5×10^3 cells/孔），处理时间（72小时），alamarBlue用量（10 μL），检测波长（激发535 nm/发射590 nm）阅读提示：Methods中Cell Culture and Cytotoxicity Assay部分
体内实验	小鼠品系（未明确说明），细菌浓度（107 CFU mL–1，10 μL），材料浓度（100 ppm，100 μL），伤口直径（5 mm），感染时间（24 h）阅读提示：Methods中In Vivo Experiments部分

环节

核对要点

材料合成

球磨时间（本文为120分钟），CuSO4浓度（0.01-0.0005 M），反应时间（3小时），离心转速（8000 rpm），干燥条件（60°C，2天）

阅读提示：Methods中Cryomilling和Metal Reduction部分

抗菌实验

细菌浓度（106 CFU mL–1），材料浓度（100 ppm），共培养温度（37°C）、转速（120 rpm）、时间（3小时）

阅读提示：Methods中Antibacterial Experiment部分

光催化抗菌实验

光强度（100 mW cm–2），波长范围（400-1076 nm），材料浓度（100 ppm），细菌浓度（106 CFU mL–1），光照时间（15或30分钟）

阅读提示：Methods中Photocatalytic Antibacterial Experiment部分

ROS检测

样品浓度（500 ppm），捕获剂DMPO浓度（100 mM），溶剂（水或甲醇），光照时间（1分钟）

阅读提示：Methods中Detection of ROS部分

细胞毒性实验

细胞系（MCF10A、BEAS-2B、HPDE6-C7），种植密度（5×10^3 cells/孔），处理时间（72小时），alamarBlue用量（10 μL），检测波长（激发535 nm/发射590 nm）

阅读提示：Methods中Cell Culture and Cytotoxicity Assay部分

体内实验

小鼠品系（未明确说明），细菌浓度（107 CFU mL–1，10 μL），材料浓度（100 ppm，100 μL），伤口直径（5 mm），感染时间（24 h）

阅读提示：Methods中In Vivo Experiments部分

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