【Adv.Funct.Mater】纳米酶的最新进展：从物质到生物应用

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纳米酶的最新进展：从物质到生物应用
Advanced Functional Materials(IF19.0)
Pub Date:2021-12-16
DOI:10.1002/adfm.202110432




利用仿生材料来模拟自然环境已经引起了广泛的关注。人工酶作为仿生材料的一个分支，其发展受到人们的广泛关注。纳米酶作为一种人工酶，致力于解决天然酶的局限性。近年来，由于纳米技术、生物技术、催化科学、计算设计和理论计算的迅猛发展，纳米酶的研究取得了很大的进展。
为了突出这些成果，帮助研究人员了解纳米酶的研究现状，本文综述了纳米酶从制备材料到生物应用的最新进展。首先概述了纳米酶制备的不同原料，包括金属基、无金属、金属有机框架以及其他一些新材料。简要讨论了纳米酶的类酶催化活性的不同类型。随后，讨论了纳米酶在抗氧化、治疗疾病、抗菌、生物传感和生物成像等方面的广泛应用。最后，概述了纳米酶目前面临的挑战，并展望了未来纳米酶研究的发展方向。作者希望本文能对纳米技术、化学、生物学、材料科学和理论计算等领域的研究有所启发，并对纳米酶的发展做出贡献。
1 Introduction

酶是活细胞产生的催化有机物，其中大部分是蛋白质，少量是RNA。酶作为一种强大的生物催化剂，无论是在体内还是体外，在相对温和的条件下，对生化反应都具有较高的特异性和较高的催化效率。它们被广泛应用于工业、医学和生物学等领域的生物分子转化。尽管它们有很好的发展前景，但它们本身存在着一些缺点，如制备和纯化费用昂贵、操作稳定性差、对反应环境的敏感性差、难以回收再利用等。
以环境敏感性为例，在恶劣的pH环境下，酶分子的一级结构完整性和空间结构都会受到破坏。接下来，酶分子亚基的变性会导致催化活性的丧失。这一结果限制了它们的进一步应用。近年来，人工仿生材料的制备引起了人们的广泛关注，并取得了长足的发展。为了克服这些缺点，研究人员一直致力于探索人工模拟酶。由于纳米技术、生物技术、催化科学、计算设计和理论计算的爆炸性发展，纳米材料用于酶模拟正变得越来越流行。纳米酶是具有内在类酶性质的纳米材料。


图1：综述概述:从纳米酶的制备、酶活性和生物应用等方面综述了纳米酶的研究进展。
纳米酶的研究始于20世纪90年代，2004年，Scrimin等人提出了纳米酶一词自2007年Yan等人发现具有类酶活性的铁磁纳米颗粒以来，纳米酶成为众多科学家关注的焦点，并开发出了大量的纳米酶在制备纳米酶的过程中，采用金属基材料(Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sn、Sb、Ce、Hf、Pt、Au、Bi)和无金属材料(C、B、Se)及其化合物和杂化材料制备出了各种眩目纳米酶。
纳米酶作为一种人工酶，具有成本低、稳定性高、易修饰、催化活性可调等诸多独特优点。纳米酶作为天然酶的补充或替代品，已广泛应用于生物传感、生物成像、抗菌、抗氧化、治疗、环保等领域。
为了让化学、生物、纳米技术、药学、医学等领域的相关研究人员更快、更及时地了解纳米酶近年来的研究进展，总结了纳米酶制备的原料，纳米酶类酶的催化活性及其生物应用(图1)。首先，详细总结了纳米酶制备中应用的材料，包括基于元基、无金属、金属有机框架(MOF)等新材料。然后，简要介绍了不同类型的纳米酶的催化性能。综述了纳米酶在抗氧化、疾病治疗、抗菌、生物传感、生物成像等方面的应用。最后，概述了纳米酶目前面临的挑战，并提出了未来纳米酶相关研究的方向。
2 Different Enzymatic Activities

纳米酶是具有类酶性质的纳米材料。原料对纳米酶的性质有不同的影响，包括化学成分(如金属基或非金属基)、合成方法(如浸渍、共沉淀法、沉积-沉淀法、水热/溶剂热法)、存在形式(如球形、棒状、环状、中空结构)等研究了磁性氧化铁纳米粒子、铂纳米粒子、氧化锰纳米粒子、金纳米粒子和五氧化二钒纳米线等纳米材料模拟天然酶的抗氧化性能。虽然它们具有优异的酶催化活性，但其酶学性质不同。
实验结果表明，在实验过程中，纳米酶表现出类过氧化物酶(POD)、类过氧化氢酶(CAT)、类超氧化物歧化酶(SOD)、类葡萄糖氧化酶(GOx)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)的催化活性。对于大多数已报道的纳米酶来说，它们可以作为氧化酶模拟物、POD模拟物、CAT模拟物、SOD模拟物、水解酶模拟物等(图2)。
在这些纳米酶的催化活性中，氧化酶可以在分子氧的协助下催化底物氧化为氧化产物和H2O2。POD是一种由微生物或植物产生的氧化还原酶，它利用H2O2作为电子受体催化底物的氧化。CAT作为过氧化物酶体的标记酶，能催化H2O2分解为氧和水。CAT存在于所有已知动物的组织中，尤其是肝脏中。许多纳米材料表现出类似于cat的活性，大多数报道的纳米材料具有类似于cat的活性以及其他类似于酶的活性。SOD是一种抗氧化金属酶，催化O2歧化生成O2和H2O2，在机体的氧化和抗氧化平衡中起着关键作用。水解酶是一类催化化学键水解的酶的总称。也可以说，它们是一类特殊的转移酶，使用水作为转移基团的受体。


图2：纳米酶的主要类酶催化活性。
3 Materials for Nanozyme Fabrication
3.1 Metal-Based Materials for Nanozyme Fabrication

据报道，用40种左右的元素制备了130多种纳米酶随着纳米技术、工程技术和计算机模拟技术的迅速发展，新型纳米酶的研究得到了拓展。金属元素，如Fe、Co、Ni、Cu、Zn、V、Mn、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ce、Pt和Au，已被广泛研究。
对于这些纳米酶，金属元素可以以金属、金属氧化物或金属-金属氧化物复合的形式存在。以铁元素为例，铁基单铁原子纳米酶、Fe3O4纳米酶和铁基杂化纳米酶已经被开发出来。为了更清楚地展示金属基纳米酶的最新发展，本部分对单金属基(表1)、双金属基和多金属基纳米酶进行了综述。
3.1.1 Nanozyme Containing Single Metal Element

对于大多数催化过程，催化剂的活性位点一般为金属，特别是过渡金属。这是因为过渡金属具有空的d或f轨道，可以与底物分子形成配位键，从而可以形成能垒较低的过渡态。从而降低了整个反应的活化能，加速了化学反应的进行。
作为一颗冉冉升起的新星，铁基纳米粒子得到了广泛的评价。由于其在纳米尺度上的特殊性质，铁基纳米颗粒已被应用于各行各业。关于铁基纳米材料的研究也是无止境的。自从Yan等人发现铁磁性纳米颗粒具有固有的类酶活性后，磁性金属及其氧化物在纳米酶中得到了广泛的研究众所周知，大多数催化反应发生在催化剂的表面，这也适用于纳米酶介导的反应。
米酶的表面修饰是一个有趣的课题结果表明，通过单氨基酸对Fe3O4进行改性，可以优化纳米酶的催化活性。本文介绍了纳米酶表面的单氨基酸(组氨酸残基)修饰。结果表明，改性后的Fe3O4纳米酶的效率提高了一个数量级。
了提高纳米酶对目标底物的催化选择性，提出了一种利用分子印迹技术制备纳米酶的新方法。由于在Fe3O4上生长的分子印迹聚合物，所制备的纳米酶不仅表现出类似pod的活性来创造底物结合袋，而且还显示出100倍的酶特异性(图3A)这种分子印迹方法可进一步用于制备其他纳米酶，提高其选择性。
无疑问，纳米材料的结构会影响纳米材料的性能。为了研究氧化铁纳米酶的形貌对其催化性能的影响，Li等制备了三种形貌的Fe3O4纳米粒子，即纳米团簇、纳米花和纳米金刚石结果表明，纳米酶的纳米结构对类酶催化活性影响较大，其顺序为纳米团簇，纳米花、纳米金刚石。但值得注意的是，他们在这项工作中并没有保持相同尺寸的纳米材料。


图3：A)分子印迹技术制备fe3o4基纳米酶。B) SP94铁蛋白纳米笼中钴纳米酶的生物矿化合成。C)超小铜基纳米酶的制备。
另外两种磁性金属，单一钴基或镍基纳米酶也引起了人们的广泛关注。对于co基纳米酶，报道最多的是co基氧化物纳米酶。
据仿生合成方法，Yan等人制备了HccFn(Co3O4)纳米酶(图3B)由于肽SP94被移植到铁蛋白纳米笼的外表面，这种pod样的纳米酶可以特异性地靶向和可视化临床肝细胞癌组织。此外，大量临床HCC标本实验表明，HccFn(Co3O4)纳米酶可以区分HCC组织和正常肝组织，具有良好的敏感性和特异性。
ong et al通过软模板法合成了多孔的Co3O4纳米板。在该方法中，通过退火多孔的Co(OH)2纳米板制备了Co3O4纳米板。所制备的多孔Co3O4纳米板具有模拟POD和CAT活性。此外，磁性Co3O4、CoOOH、和多孔Co3O4纳米带也被报道为纳米酶。
了氧化物外，钴基硫化物纳米酶也被研究过。Zhang等人报道了具有pod样活性的均匀Co4S3纳米酶。该纳米酶是通过两步水热法制备的，首先从CoCl2溶液中得到粉红色的沉淀物，然后进一步得到黑色的终产物。
对于基于镍的纳米酶，Liu等人发现NiO纳米颗粒在生理ph值下具有类氧化酶活性。在本工作中，他们传达了一种新的模拟氧化酶的纳米酶。此外，这种氧化酶样的NiO纳米颗粒可以通过荧光开启高度选择性和定量的检测亚磷酸根。近年来，在有序介孔碳上负载的岩盐型NiO得到了发展。该纳米酶具有pod样活性，可用于没食子酸的比色分析。
采用掠射角沉积法在硅片上沉积镍纳米薄膜是由Elias开发的。这种镍基纳米酶具有类pod行为。这种纳米酶显示出生物标记物生物感应的潜力。采用表面电荷工程的方法，制备了铜基纳米酶的空心硫化铜纳米立方体。纳米酶具有较大的比表面积，具有优异的类pod活性。
此外，Kuang等人开发了苯丙氨酸介导的均匀多孔CuxO纳米粒子团簇。这种CuxO纳米粒子团簇可作为模拟四种自然酶的纳米酶，包括POD、SOD、CAT和GPx。因此，这为其在许多领域的应用提供了无限的可能性，这将激励科研人员开发多酶模拟，特别是开发结构简单、具有多种类酶催化活性的廉价纳米酶。
Gao等人制备了两种铜/碳纳米酶，即CuO-HCSs和Cu-HCSs。实验结果表明，这些铜/碳纳米酶具有POD、CAT和sod类活性。他们进一步发现，Cu0 (Cu-HCSs)比Cu2+ (CuO-HCSs)表现出更高的类酶性能。因此，纳米酶的催化能力可以通过调节铜的状态来控制。对于这项工作，它提供了一个更深的理解金属状态依赖的纳米酶的活性。
近年来，Deng等人利用超小的Cu5.4O纳米颗粒作为纳米酶清除活性氧(ROS)，缓解炎症相关疾病(图3C)。这种纳米酶将促进ros相关疾病的临床治疗，并使下一代纳米酶的开发成为可能。其他的铜基纳米酶，如铜单宁酸配位纳米片、碳点稳定的Cu4O3、和cu2o-cd-cu也被开发出来。
自上世纪90年代Alivisatos等人首次通过热分解法合成Mn3O4以来，锰氧化物纳米材料及其衍生物作为功能过渡金属氧化物越来越受到关注。它们具有多种化学成分和多相结构，具有优异的造影剂、可降解性和高催化活性等特点。MnO2、MnO、Mn2O3、Mn3O4和MnOX纳米颗粒作为纳米酶已经被广泛研究。
hao等人报道了通过在二氧化锰纳米片上吸附DNA探针制备二氧化锰纳米酶。二氧化锰纳米片不仅可以作为DNA的纳米载体，还可以作为DNAzyme的辅助因子供应商。
更重要的是，Qu等人用MnO2纳米酶作为智能细胞保护壳包封细胞(图4A)。根据这项简单而新颖的技术，单个活细胞可以在恶劣的微环境中生存。本工作对研究细胞的保护具有重要意义，对今后特殊细胞的治疗具有启发意义。
此外，如图4B所示，Li等人利用bsa定向合途径制备了具有二维纳米形貌的MnO2。通过改变合成条件，可以得到形貌可控的二氧化锰纳米片。此外，制备的二氧化锰纳米薄片具有类gox和类pod的串联酶活性。
Wei等人利用水热法合成了Mn3O4 NPs。Mn3O4 NPs具有模仿SOD和CAT的活性，既能歧化O2转化为H2O2，又能清除H2O2和清除OH。Liu等人报道了将Mn(II)掺杂到碳点中的光氧化酶纳米酶。碳点在光照下产生单线态氧，将Mn(II)氧化为Mn(III)。原位生成的Mn(III)作为电化学模拟物，增强电子转移。
钼(M)是一种易改变氧化态的过渡元素，在氧化还原反应中起着转移电子的作用。在氧化态中，Mo以Mo6+价态居多。虽然在电子转移过程中Mo首先会还原为Mo5+，但在还原酶中也发现了Mo的其他氧化态。
Chen等人将MoO3描述为一种具有高氧化活性的类氧化酶纳米酶。其他钼基纳米材料也表现出天然的类酶能力。
最近，Lin等人报道了MoS2量子点催化ROS委托。更重要的是，由于等离子体辅助可控掺杂方法，氮掺杂MoS2纳米片表现出了更强的类pod催化活性(图4C)。在本工作中，N元素经N2等离子体处理后共价掺杂到二硫化钼纳米片中。这一结果导致纳米酶的表面润湿性和亲和力增加，这改善了电子和底物的访问。另外，在较低费米能级的MoS2纳米片上，N元素共价掺杂可以促进电子转移，从而提高了纳米酶的催化活性。
Guo等人报道了溶菌酶(Lys)辅助液相剥离技术合成二硫化钼纳米片。MoS2-Lys纳米片是一种新型的具有pod类催化剂活性的抗菌纳米酶。Yang等人开发了另一种mo基纳米酶，他们使用液体剥离法制备了少量的MoSe2纳米薄片。合成的MoSe2纳米片已被用作一种高效的POD纳米酶，用于高灵敏度的比色检测。
钒(V)常用于制造V2O5，并作为废水处理的氧化剂。纳米级V2O5具有抗氧化活性。Mugesh等报道了钒纳米线可以功能模拟抗氧化酶溶剂热法制备的V2O5纳米带具有类gox和类pod活性(图4D)。本研究开发了串联纳米酶系统在活体和在线传感领域的应用。这种先进的非酶性葡萄糖在线检测方法将为了解大脑功能提供更多的机会。
此外，水热法制备的VOx掺杂到杂化水凝胶中可以模拟POD、SOD和CAT。水凝胶不仅能增加纳米酶的分散面积，还能增加纳米酶对底物的粘附力。该纳米酶复合物在光照条件下对环境不友好的底物具有良好的快速和有效的氧化降解性能。
Li等人制备了二维硒化锡(SnSe)纳米片。这种SnSe纳米片能够模拟天然脱氢酶，有效地催化氢转移。SnSe纳米酶对反应条件的变化具有较强的耐受性和可重复利用性。根据构效分析，Sn空位和SnSe的氢键亲和力对纳米酶的催化活性有协同作用。这项工作是首次报道二维SnSe纳米酶模拟细胞代谢中的关键脱氢酶。
其他单金属元素的纳米酶，如具有超细纳米棒结构的一氧化钛(TiO1+x)粒子、荧光Tb3+、Hf18金属氧簇和纳米pro1.8都被合成。这些工作将激励研究人员研究更多新的金属基纳米酶，特别是不常用的金属基纳米材料。


图4：A)可生物降解的二氧化锰纳米酶作为智能的细胞保护壳，封装单个活细胞。B) bsa定向合成具有二维纳米形貌、串联类酶特性的二氧化锰纳米片。C)等离子体辅助可控的氮掺杂到二硫化钼纳米片中，制备高效的纳米酶。D)溶剂热法制备V2O5纳米带作为串联酶模拟物。
除了非贵金属外，贵金属也被广泛用于制备纳米酶。以贵金属为基础的纳米材料在模拟酶方面表现出很大的潜力。贵金属基纳米酶具有许多独特的特性，如优异的电子导电性、许多反应角和高比表面积。在疾病治疗应用过程中，发现金纳米粒子具有天然的类酶催化活性。
作为制备纳米酶最重要的原料之一，Au因其在纳米尺度上独特的等离子体特性而得到了广泛的研究。金纳米酶的催化性能是化学或生物应用中具有特殊兴趣的关键特性。了解环境因素对类酶活性的影响对其应用具有重要意义。基于这一原理，Guo等人研究了卤化物离子对Au纳米酶催化活性的影响(图5A)。由于不同的Au-x相互作用，卤化物被证明对蛋白质修饰的金纳米粒子的催化活性表现出不同的开关行为。结果表明，酶活性为Au-F >Au-Cl祝辞Au-Br祝辞我。该结果提高了对阴离子介导的AuNP纳米酶活性的深刻理解。
Au/g-C3N4杂化纳米酶已被Qu等人报道。AuNPs与超薄g-C3N4的整合提供了优异的pod活性。为了解决表面活性剂的稳定性、重现性和活性位点阻滞等问题，Fedorov等人报道了pt修饰的氮化硼纳米酶的无表面活性剂方法。在本工作中，约8 nm的铂纳米粒子可以分散在化学修饰的六方亲水氮化硼纳米片上。纳米酶具有类pod的催化活性。纳米材料的酶活性和效率受到其大小、组成和结构的强烈控制。
Chen等人发现，与(111)面和钯纳米立方体相比，由(100)面包裹的2D钯纳米板表现出本质上的类氧化活性显著增强。Zhou等人制备了(100)面Pd立方体和(111)面Pd八面体纳米酶。根据实验结果，他们揭示钯(Pd)纳米晶体具有面依赖性氧化酶和类pod活性，通过生成ROS赋予其优良的抗菌性能。这些发现提供了对facet依赖的类酶活性的更深入的理解，并可能推动具有增强和靶向抗菌活性的贵金属基纳米材料的发展。


图5：A)卤化物离子诱导金纳米酶活性的转换。B)不同长径比的CeO2-x纳米棒模拟haloperoxidase的制备。
除贵金属外，也有稀土元素用于制备纳米酶的报道，其中最具代表性的稀土元素是铈(Ce)。作为镧系元素之一，由于氧能够在Ce3+和Ce4+之间可逆地结合和移动，Ce纳米粒子表现出良好的自由基清除活性。因此，铈基纳米材料作为纳米酶被广泛应用于去除O2和·OH。
对于二氧化铈，Neville等报道了具有不同长宽比的CeO2-x纳米棒来模拟hal过氧化物(图5B)。水热法制备了CeO2-x纳米酶，纳米棒的(110)面保证了盐过氧化物酶的活性。盐过氧化物酶活性随Ce3+在(110)面上长径比的变化而变化。
单原子催化剂以其独特的最大比活度和原子利用率成为研究的热点。它们为模拟金属蛋白酶提供了很好的机会。它们在催化机理的理解和弥合天然酶与纳米酶之间的差距方面显示了巨大的潜力。在合成、表征、机理研究等方面取得了突破性进展。
Dong和同事首次报道了自下而上的方法来制备碳纳米框约束轴向n配位单原子铁纳米酶(图6A)。该纳米酶的活性位点与天然氧化还原酶相似。酶的最高活性来源于关键的协同作用和电子给体机制。
随后，其他单铁纳米酶，如n掺杂碳锚定单铁原子纳米酶，石墨烯嵌入单点Fe-n4纳米酶(Fe- n - rgo)和Fe-n-c单原子纳米酶被开发出来。这些单原子纳米酶的制备方法相对简单，原料价格低廉。值得一提的是纳米酶的催化活性。
这些文献表明，这些单原子纳米酶的催化活性得到了很大的提高。以Fe-N-rGO纳米酶为例，该纳米酶的pod类催化效率提高了700倍。这意味着催化活性已经大大提高了两个数量级。这些优秀的研究成果将鼓励研究人员合理设计单原子纳米酶，以实现追求高催化活性的目标。
最近，Qu等人开发出了单共原子纳米酶(图6B)。对于这种纳米酶，它是原子分散的配位不饱和活性共卟啉中心。这种单原子纳米酶可作为多抗氧化剂用于脓毒症的治疗。Zhu等人报道了单cu原子类pod纳米酶。该纳米酶是通过盐模板法制备的，在碳纳米片上有丰富的单cu原子活性位点。本工作不仅模拟天然POD制备了活性显著的单铜原子纳米酶，而且为高原子浓度的单原子纳米酶的合成提供了策略。这项工作对开发单原子催化剂具有重要意义。
因为提高单原子催化剂的原子浓度是一个重要的研究课题。如图6C所示，Liu等人研制出了一种高效的单锌原子纳米酶。该纳米酶是通过锌基沸石-咪唑酸骨架的炭化法制备的。这种类pod纳米酶具有良好的伤口抗菌治疗效果和生物安全性。在这个方案中，他们系统地研究了单锌原子纳米酶的构效关系。他们发现配位不饱和N4活性位点有助于提高纳米酶的催化活性。此外，DFT计算还证实了配位不饱和的活性锌位点及其催化机理。该纳米酶的催化活性高于天然酶，对铜绿假单胞菌生长的抑制率约为100%。所制备的纳米酶将促进不同单原子纳米酶在生物催化领域的发展。
如图6D所示)，Zhao等报道了单rh原子酶。对于该纳米酶，单原子钌是活性催化位点。该纳米酶可作为类cat纳米酶用于产氧。这一工作证明了一种具有高效单原子催化位点的自组装纳米酶。

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