含铜亚硝酸盐还原酶纳米酶的仿生设计及其增强NO催化抗菌研究

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细菌耐药问题严重威胁人类生命健康安全。探索新型抗菌材料对遏制细菌耐药问题具有重要的研究意义。纳米酶是一类具有类天然酶活性的纳米材料,因其具备催化产生高效抗菌因子的性能,在抗菌领域展现出广阔的应用前景。然而,当前抗菌纳米酶的抗菌方式较为单一,大都是以类过氧化物酶为主,通过催化过氧化氢裂解生成活性氧自由基实现杀菌,但活性氧自由基毒副作用较高,而且天然免疫系统的抗菌过程是多种酶参与的复杂过程。因此探索新型高效且生物更兼容的抗菌纳米酶对丰富纳米酶类型、降低抗菌因子毒副作用均具有重要研究意义。一氧化氮(NO)是一种内源性气体分子,在人体免疫和抵抗细菌方面起着至关重要的作用。天然含铜亚硝酸还原酶(CuNiR)以Cu为催化活性中心,通过催化亚硝酸盐还原产生NO。受此启发,本论文设计并构筑了两种以Cu为催化中心的具有类CuNiR活性的Cu基纳米酶,分别是溶菌酶纤维限域硫化铜团簇超分子结构(LNFs@CuS)和铜、氮掺杂碳基纳米颗粒。主要研究内容及结果如下:1、利用仿生矿化法,以溶菌酶纤维为生物模板,利用溶菌酶纳米纤维的超小空间限域及其表面官能团,实现溶菌酶纤维限域硫化铜团簇超分子结构(LNFs@CuS)的可控制备。通过TEM、SEM、XRD、XPS等方法对LNFs@CuS进行表征,并分析其形貌、粒径、元素组成与LNFs@CuS结构变化关系。当CuS负载浓度为1 mM时,LNFs@CuS中CuS团簇粒径约为5.52 nm并均匀分布在纤维上。在催化亚硝酸盐还原过程中,LNFs@CuS表现出良好的类CuNiR活性。此外,底物浓度、温度、pH、等因素均对LNFs@CuS催化效率产生重要影响。LNFs@CuS的近红外光热转换效率高达30.7%,在980 nm近红外激光照射下,可以显著增强其催化NO释放速率。因此,LNFs@CuS对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌两种细菌均具有良好的NO催化抗菌效果,而且在近红外光热作用下,可实现在较低的亚硝酸盐浓度和相对温和的温度下达到较强的杀菌效果。2、首先利用溶剂热法合成了铜掺杂的金属有机框架(Cu-ZIF-8),再通过高温裂解使其转变生成铜、氮掺杂的碳基纳米颗粒(Cu-N-C)。通过XRD、TEM、XPS等方法对Cu-N-C进行表征测试。Cu-N-C的催化效率受pH、温度、浓度等因素的影响,在pH较低和温度较高的条件下表现出良好的类CuNiR活性。此外Cu-N-C的光热转换速率高达31.8%。通过平板计数法计算细菌存活率,Cu-N-C浓度在100μg/ml时,金黄色葡萄球菌存活率约为64.3%,在激光功率密度为1W·cm-2条件下,金黄色葡萄球菌存活率为60.4%,在催化光热协同杀菌的条件下,金黄色葡萄球菌的存活率为0%。证明通过热增强催化与光热协同的方式达到1+1>2的效果,完全杀死细菌。
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