创造简单的方法来生产具有明确结构活性关系的抗氧化剂纳米酶，特别是旨在改善消毒和创造用于细菌伤口愈合的实用药物制剂，仍然是一个关键的挑战。在此，我们合成了负载铁的共价有机骨架纳米球，然后通过简单的热解将其可控地转化为具有铁单原子和铁簇的碳基纳米酶。我们发现，铁原子团簇的逐渐增长显著促进了纳米酶在底物上的吸附和电子转移，极大地影响了其活性。通过单铁原子和Fe4团簇共存优化的纳米酶表现出最强的过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性以及高的光热效率。在生理条件下，它的过氧化物酶和氧化酶的酶活性，刺激氧化应激，保持低。此外，我们创建了一个抗菌自凝胶粉末能够分散纳米酶使用聚丙烯酰胺和聚（丙烯酸）。该粉末可以快速凝胶化并粘附到潮湿的伤口区域，通过凝胶的氨基和纳米酶的光热效应的联合作用协同消毒伤口，同时利用抗氧化酶效应来减轻伤口炎症。这些特性有助于感染性伤口的快速愈合，从而有望成为一种明确的制剂和治疗方法。相关论文“Regulating the Atomic Active Center by Covalent Organic Framework-Derived Photothermal Nanozyme to Arm Self-Gelling Powder for Bacterial Wound Healing”于2024年12月17日在线发表于杂志ACS NANO(IF=15.8)上。
感染性伤口对人类健康构成重大风险。与标准损伤相比，由于持续的细菌感染和强烈的炎症，它们特别难以愈合。现有的抗微生物和促进愈合的敷料，如抗微生物膜，纤维，和水凝胶，虽然有用，但对于各种不规则伤口并不总是方便或有效的。这些敷料通常需要严格的储存和使用条件，更换它们可能会对伤口造成进一步的伤害。此外，许多敷料难以有效消除细菌并解决炎症原因，如活性氧（ROS）和组织渗出物。使用ROS对抗细菌的敷料可能会给伤口带来新的氧化应激，加剧炎症并减缓愈合。因此，管理感染性伤口需要快速，方便的药物和创新技术，可以杀死细菌，同时减少氧化应激和炎症。
在这项研究中，作者合成了均匀的铁负载的共价有机框架（COF）纳米球，然后通过一个简单的热解过程转化为Fe和N掺杂的碳纳米球。这些纳米球内的Fe/N掺杂可以通过COF前体中的铁含量方便地调节，产生具有高抗氧化酶活性的光热纳米酶。我们发现，纳米酶中单个铁原子和适当大小的铁簇的共存有助于增强酶活性，优化抗氧化CAT-SOD级联酶活性，同时在生理条件下保持较低的炎症激发（过氧化物酶（POD）和氧化酶（OXD））酶活性。我们还通过聚丙烯酸（PAA）和聚丙烯酰胺（PAM）之间的氢键相互作用，制备了带有氨基的自胶凝粉末，使上述碳基纳米酶均匀分散在其中。该粉末与组织渗出液接触后迅速形成粘性凝胶，可以方便地应用于感染性伤口。粉末的氨基和纳米酶的光热效应共同作用，以实现对伤口环境的灭菌。此外，优化的碳基纳米酶的ROS清除和抗氧化作用可以抑制氧化应激和炎症反应，缓解缺氧微环境。这些协同作用促进感染性伤口的快速愈合。此外，纳米酶表现出良好的稳定性，并且粉末易于使用，提供了用于治疗感染性伤口的稳健的药物制剂。
Scheme1 制备由COF衍生的具有调节的铁活性中心的光热纳米酶武装的自凝胶化粉末及其在感染伤口愈合中的应用的图解
图1 (a)COF-Fe的SEM图像。（b−e）CCOF-Fe的SEM图像、TEM图像、STEM图像、HRTEM图像以及相应的元素映射。(f)CCOF-Fe的AC-TEM图像。圆形和星形线显示了单原子和簇状的Fe。(g)XRD图谱。（h）拉曼光谱。（i）N2吸附-解吸等温线和孔径分布曲线（插图）。（j）COF-Fe和CCOF-Fe的C 1 s XPS和（k）N 1 s XPS光谱。
图2 (a)CAT酶活性的O2释放，（b）SOD酶活性的SOD抑制率，和（c）COF-Fe和CCOF-Fe的NIR光热性能的光热图像。(d)（e）不同pH下CCOF-Fe对SOD酶活性的抑制率。(f)四次“开-关”NIR辐照循环下CCOF-Fe的光热温度。(g)CCOF-Fe在不同H2O2浓度下的过氧化氢酶动力学曲线。(h)不同浓度CCOF-Fe的SOD酶动力学曲线。(i)CCOF-Fe的光热加热-冷却曲线和光热效率分析。(j) COF-Fe和CCOF-Fe对ABTS·+的清除能力。(k)在CCOF-Fe存在或不存在的情况下，含−O2 ·（黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶）溶液的ESR谱。(l)CCOF-Fe的级联酶活性示意图。
图3 (a)X射线光电子能谱、傅里叶变换（FT）k3加权EXAFS光谱分别在（B）R空间和（c）K空间对不同Fe含量的CCOFs和参比材料（Fe箔、Fe2O3）进行了表征。(d)小波变换（WT）和（e）EXAFS在R空间中对不同Fe负载量的CCOF的拟合曲线。(f)在CCOF-Fe1（Fe−N/O单原子）、CCOF-Fe 2（Fe 2团簇）和CCOF-Fe 3（Fe4团簇）的不同Fe活性中心上最有利的−O2 · 吸附的微分电荷密度图和相应的电子转移。黄色和青色区域分别是电荷富集区和电荷缺乏区。氧在Fe和O原子上的吸附态的DOS光谱（g）Fe−N/O单原子或（h）不同纳米粒子的Fe簇。(i)自由能图和相应的最佳CCOF-Fe3纳米粒子的不同酶活性的反应路径。
图4 (a)PAA溶液、含CCF的PAM溶液、CCF@PP凝胶/粉末的照片，以及CCF@PP粉末的SEM图像。(b)爱心形状的CCF@PP粉末的照片及其具有拉伸性能的自凝胶化。(c)CCF@PP粉末在不同的湿组织（猪皮、心脏和肠）上自胶凝的照片，在不同的扭曲下具有很强的粘附性。(d)PAA、PAM、PP和CCF@PP的FTIR光谱。(e)（f）CCF @PP凝胶的振荡时间扫描曲线和应变扫描曲线。(g)(h)超氧化物歧化酶（SOD）酶活性的抑制率。(h)中的插图是用808 nm NIR（1 W/cm2）照射不同时间段的CCF@PP凝胶的光热图像。(i)不同浓度的CCF@PP对ABTS·+的清除能力。
图5 (a)琼脂平板上S.在有或没有H2O2（1 mM）存在和NIR辐射（808 nm，1.0W/cm2，5 min）的情况下，用不同浓度的CCP@PP处理金黄色葡萄球菌。（b，c）S.不同浓度（μg/mL）的不同制剂处理金黄色葡萄球菌：C1：0、C2：65、C3：125、C4：250、C5：500和C6：1000。(d)葡萄球菌的荧光图像用不同制剂孵育的金黄色葡萄球菌，通过活-死试剂盒染色。绿色：存活;红色：死亡。(e)扫描电镜观察S.金黄色葡萄球菌经不同配方处理1h。箭头显示的是破裂的膜，绿色部分是附着在细菌上的材料。(f)定量测定了S.如通过结晶紫测定法测定的。数据表示为平均值±标准差。（n = 3）。(g)在经受不同时间段的不同处理后，钙黄绿素AM活细胞标记试剂盒染色的具有抓挠伤口的L929细胞的CLSM图像。黄线显示的是伤口的边界。(h)在低氧（5%O2）条件下用不同制剂孵育的L929细胞的细胞内O2探测的CLSM成像。
图6.（a、b）S.金黄色葡萄球菌感染的伤口在不同治疗后的不同时间点愈合。（c，d）分别通过苏木精和伊红（H&E）染色、Masson三色（Masson）染色、TGF-β1免疫组织化学、热休克蛋白70（HSP 70）免疫组织化学和快速革兰氏染色，在第12天从不同处理的小鼠获得的感染伤口组织的图像。H&E线显示表皮厚度。Masson中的绿色箭头显示胶原蛋白沉积。TGF-β1的棕黄色区域代表阳性区域。HSP 70中的红色箭头表示阳性区域（棕黄色）。革兰氏阳性的箭头显示细菌感染。(e)在第12天，来自不同处理的小鼠的感染伤口组织中的CD 31的免疫荧光图像。蓝色：DAPI，红色：血管内皮细胞CD 31。(f)术后12天取感染创面组织行TNF-α、IL-6免疫荧光染色及HIF-1免疫组化染色。蓝色：DAPI;红色：TNF-α;绿色：IL-6。红色箭头表示HIF-1阳性区域。（g，h）根据图f，在第12天，来自不同处理的小鼠的伤口组织中TNF-α和IL-6的定量相对荧光强度。
综上所述，该研究通过一步热解过程合成了均匀的Fe/N碳纳米球，其中可以方便地实现Fe配位的调节。最佳的催化活性归因于单一的铁原子和扩大的Fe4团簇内的碳纳米球的共存。结果，所合成的碳纳米球在生理条件下表现出有效的CAT和SOD酶活性和高光热转换效率，而它们的POD和OXD酶活性（其诱导氧化应激并刺激炎症反应）较低。由于碳基纳米酶的稳定性和生物相容性，这些碳纳米球可以均匀地分散在由PAM和PAA形成的凝胶中，可能通过氢键相互作用。冷冻干燥后，得到适合生物应用的快速自胶凝粉末。这种粉末可以迅速形成粘性凝胶，同时吸收组织渗出液，便于感染性伤口治疗。一方面，它可以通过粉末的阳离子氨基和纳米酶的光热效应实现协同抗菌和生物膜去除。另一方面，它可以利用优化的碳基纳米酶的ROS清除和抗氧化作用来减轻氧化应激和炎症反应，并缓解缺氧微环境。这些协同效应促进感染性伤口的快速愈合，为治疗感染性伤口提供了稳定、高效且易于使用的药物配方。
论文链接（DOI）：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13899
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