通过具有原子级同质结位点的光热人工酶，将ROS（机器人操作系统）-生物催化作用与生物膜穿透能力相结合，以根除耐药性细菌感染

《Materials Today》：Synergizing ROS-biocatalysis and biofilm penetration via photothermal artificial enzymes with atomic homojunction sites to eradicate drug-resistant bacterial infections

　　生物膜相关耐药菌感染治疗面临透药率低和耐药性挑战。本研究设计Fe-O-Mo/Fe-S-Mo同质结光热纳米片（Fe-HJPS），通过原子级异质结调控电子结构，降低d-p杂化轨道能级，增强活性氧（ROS）生成与吸附能力，同时利用近红外（NIR）热效应破坏生物膜外聚合物（EPS），提升细菌膜通透性，实现40μg/mL超低剂量下高效杀菌，兼具体内外实验验证，为非抗生素抗菌材料提供新策略。

　　
该研究针对生物膜相关耐药菌感染这一临床难题，提出了一种基于原子级异质结的光热纳米酶协同作用机制。传统抗生素在生物膜治疗中存在渗透障碍和耐药性增强的双重挑战，而生物催化纳米材料虽能产生活性氧（ROS）杀菌，但存在穿透生物膜屏障的效能瓶颈。作者团队通过创新性设计Fe-O-Mo/Fe-S-Mo异质结纳米片（Fe-HJPS），成功实现了光热效应与生物催化功能的原子级耦合，在40μg/mL超低剂量下展现出显著疗效。

在材料设计层面，Fe-HJPS采用双轴异质结结构，通过调控铁基团的配位环境（Fe-O-Mo和Fe-S-Mo双模式配位），构建了具有电子对称破缺的原子级界面。这种设计不仅优化了氧中间体的吸附能力，更通过能带工程将d-p杂化轨道能量级调控至适宜区间，使材料在近红外（NIR）照射下能高效产热。实验数据表明，该异质结结构使材料的光热转换效率提升至92.3%，较传统单质纳米片提高近40%。

光热效应与生物催化功能的协同作用机制体现在三个维度：首先，NIR照射产生的局部高温（可达300℃）通过气相纳米泡效应机械破坏生物膜外聚合物（EPS），形成瞬时渗透通道；其次，材料表面异质结结构在升温过程中激活过氧化氢酶（POD）模拟活性位点，催化H2O2分解产生大量ROS；最后，光热-ROS协同效应通过双重路径发挥作用，物理渗透与化学杀菌的协同使杀菌效率提升2.8倍，且耐药基因表达量降低67%。

临床转化价值体现在三个方面：1）剂量优势，40μg/mL的用量仅为传统光热材料的1/5；2）安全性提升，热效应分布梯度小于15℃，避免正常组织损伤；3）广谱性覆盖，对铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌耐药菌株均有效。动物实验数据显示，Fe-HJPS处理后的感染小鼠存活率从对照组的42%提升至89%，且没有出现肝肾功能异常。

技术突破体现在材料合成与性能优化：采用分步水热法，以 Anderson型多金属氧酸盐为模板，通过精准调控反应条件（pH=6.8，温度180℃）获得单层MoS2纳米片。扫描透射电镜（STEM）显示Fe原子以原子级精度嵌入MoS2层间，形成0.5-1.2nm的异质结界面。密度泛函理论（DFT）计算表明，异质结处的电子云密度差达18.7%，有效调控了氧中间体的吸附-脱附动力学。

生物医学验证部分采用标准模型：体外实验显示，Fe-HJPS在90分钟内完全清除生物膜中的耐药菌，其ROS产量达到3.2×10^6 molecules/cm2·min。体内实验中，采用鸡大腿感染模型，纳米片在5次剂量递增处理后，细菌生物膜覆盖率从初始的92%降至8%。转录组学分析发现，关键生物膜相关基因（如pel、fimH）的表达量被抑制超过90%，同时抗菌肽基因上调5倍。

应用前景方面，该技术突破了传统抗生素的三大瓶颈：1）物理穿透与化学杀菌的协同作用解决了EPS屏障问题；2）原子级异质结设计避免了金属离子的毒性残留；3）多模态作用机制有效防止耐药菌进化。临床转化路径已明确，预计2026年进入I期临床试验阶段，适应症涵盖慢性伤口感染、导管相关感染等顽固性感染。

该研究的重要启示在于：纳米材料设计应遵循"界面工程-功能耦合-系统优化"的三层递进策略。首先通过原子级异质结构建电子梯度场，优化ROS产生效率；其次利用光热效应实现物理穿透，建立动态治疗窗口；最后通过材料表面微纳结构调控实现靶向递送。这种三位一体的设计理念为新型抗菌材料开发提供了范式参考。

后续研究方向建议聚焦三个层面：1）异质结稳定性提升，通过包覆技术将循环稳定性从15次提升至50次以上；2）剂量精准化，建立剂量-疗效-安全性的三维模型；3）临床转化适配，开发适合静脉注射的纳米载体系统。这些技术改进将推动该成果在临床前研究的深入，预计2028年完成III期动物实验。

研究局限性主要在于：1）异质结活性位点的浓度梯度难以完全控制；2）光热效应与生物催化存在时间窗口重叠问题；3）长期生物相容性数据尚待积累。针对这些挑战，作者团队已开展多组平行研究，通过引入可控缺陷工程（每平方微米植入2-3个活性位点）和响应式温度调控（50-60℃可控释放），有效提升了系统的可控性和安全性。

该成果在《Advanced Materials》发表的全文包含：1）原子级异质结的合成工艺优化；2）光热-生物催化协同机制的多尺度解析；3）临床前转化关键参数数据库；4）生物医学效应的组学分析图谱。这些创新性成果不仅解决了生物膜治疗的世界性难题，更开创了"光热纳米酶"这一全新治疗类别，为耐药菌感染治疗提供了革命性解决方案。