晶面调控纳米酶活性及其生物应用研究

发布时间：2020-05-29 02:40

【摘要】：生物体内的许多生化反应都是在酶的催化作用下进行的,天然酶催化活性高,但其生物学稳定性低、易失活、对储存条件要求苛刻等极大地限制了天然酶的应用。人工模拟酶应运而生,其中,纳米材料(纳米酶)因其稳定性高、成本低、可循环使用等优势正在迅速发展,但是纳米酶的发展也存在应用瓶颈,相比天然酶,催化效率不高和安全性等。因此,发展高催化活性、高稳定性且生物安全性良好的纳米酶是纳米酶发展的关键问题。研究调控纳米材料的理化性质以改进纳米酶活性与对纳米酶的发展具有重要意义。通过调研纳米酶的相关研究,发现已有研究集中于探讨尺寸、组成和形貌等对纳米酶活性的影响。作为影响纳米材料催化活性的关键因素,表面原子排列(晶面)对纳米酶活性影响的相关研究十分缺乏。本论文着力于纳米酶催化效率不高的瓶颈问题,提出我们的研究课题——探索如何调控晶面以提高纳米酶活性。通过实验和理论计算相结合,分别研究晶面调控对纳米材料的抗氧化性类酶和促氧化性类酶活性的影响,并通过细胞模型和细菌模型研究材料的实际应用。本论文主要开展了以下三部分工作,主要的研究方法、内容和结论如下:1.这里选取催化活性高、应用广泛的钯纳米晶体作为模型考察体系。为实现晶面控制,利用水热法通过晶面介导剂和动力学调控成功制备尺寸相近、不同暴露晶面的钯纳米晶体:暴露晶面分别为{100}和{111}的钯立方体纳米晶体和钯八面体纳米晶体;利用透射电镜和X射线衍射等表征手段对其形貌和暴露晶面进行确认;进一步利用傅里叶红外光谱、X射线能谱和热重分析等表征手段确认两种钯纳米晶体的表面化学环境相近,仅在暴露晶面上存在典型性差异。2.利用电子自旋共振技术比较两种钯纳米晶体在中性或弱碱性条件下的抗氧化性类酶活性,发现暴露晶面为表面能更低的{111}的钯八面体的类过氧化氢酶活性和类超氧化物歧化酶均高于表面能更高的暴露晶面为{100}的钯立方体纳米晶体;在细胞实验中,钯纳米晶体具有降低细胞内的活性氧水平的能力,从而有效地对H_2O_2诱导氧化应激造成损伤的细胞具有保护效果,其中钯八面体纳米晶体的保护效果更佳;另外,通过量子力学计算研究了钯纳米晶体发挥抗氧化性类酶活性的机制,并从反应活化能的角度解释了表面能更低的{111}晶面具备更高的抗氧化性类酶活性的原因。晶面调控钯纳米晶体的抗氧化性类酶活性及其生物应用的研究将会开辟钯纳米晶体作为潜在的抗氧化剂应用于氧化应激和炎症等相关疾病的治疗,同时为发展新型纳米抗氧化剂提供设计思路和研究方向。3.通过实验手段和量子计算技术来比较钯纳米晶体在弱酸性条件下促氧化性类酶活性顺序,发现暴露晶面为{100}的钯立方体纳米晶体比钯八面体纳米晶体表现出更高的类氧化酶和类过氧化物酶活性;钯纳米晶体发挥促氧化性类酶活性,有效地提高生物体内的活性氧水平,表现出抗菌活性。惊奇地发现,在革兰氏阳性菌的抗菌实验中,抗菌活性顺序与促氧化性类酶活性顺序一致,暨钯立方体纳米晶体的抗菌活性更高;而对于革兰氏阴性菌,受晶面影响,纳米晶体渗透细菌细胞膜的能力存在差异,在短时间的抗菌实验中,钯八面体纳米晶体因其更好的渗透细菌细胞膜的能力从而表现出更高的抗菌活性。晶面调控钯纳米晶体的促氧化性类酶活性及其抗菌应用研究提供了晶面依赖性的类酶活性的深层次理解以及更好地促进了基于优化和靶向抗菌活性的贵金属纳米材料的发展。综上所述,我们首次提出通过调控纳米材料的晶面进而达到改进纳米酶活性的目的,并在生物应用中得到体现。这将会为纳米酶活性的优化提供新方向,并为纳米酶未来在生物领域的应用提供更多可能性。
【图文】：

晶面调控纳米酶活性及其生物应用研究

酶的发展历程

AuNPs-EMSN的双酶活性意图
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】