科學通報 | 生物醫藥用單原子催化劑的限域載體及其調控機制

自2011年由我國科學家提出“單原子催化”概念以來，單原子催化劑在能源、環境以及生物醫藥領域顯示出巨大的應用潛力。相比于納米粒子或納米團簇，單原子催化劑具有最大化的原子利用率、獨特的電子結構以及增強的催化活性/選擇性等優勢。尤其在生物醫藥領域，金屬基單原子催化劑具有一個顯著優勢，即在復雜的生理環境下不會產生由大量金屬離子聚集引發的生物毒性。盡管研究者們已對不同種類的單原子催化劑在生物醫藥領域的進展進行了評述，但大多數報道集中在單原子催化劑的制備方法及其生物醫學應用。

近日，華東理工大學材料科學與工程學院牛德超教授課題組在《科學通報》“生物醫用納米材料專題”發表題為“生物醫藥用單原子催化劑的限域載體及其調控機制”的綜述文章，從單原子催化劑限域載體的角度，全面系統評述了單原子催化劑的限域載體類型、調控機制以及在生物醫藥領域的最新應用進展。

作者首先歸納總結了近年來在生物醫藥用單原子催化劑的限域載體類型。基于生物醫藥領域催化劑載體小粒徑與高生物相容性的需求，著重介紹了金屬及其化合物載體、金屬有機框架材料為主的碳基載體以及新型硅基載體等單原子限域載體的合成研究進展（圖1）。

圖1限域載體負載單原子催化劑的示意圖

然后，作者重點討論了生物醫藥用單原子催化劑的原子價態及其配位結構與性能調控機制之間的相互關系。單原子活性位點受到如價態、配位原子數、配位原子類型（雜原子取代）以及第二殼層配位結構等因素的影響，為高效、安全的生物醫藥用單原子催化劑制備提供新的思路和途徑。

隨后，作者概述了不同種類單原子催化劑在不同疾病模型中（如感染難愈創面、腫瘤、關節炎性疾病）以及生物成像、生物傳感等領域的研究進展（表1）。單原子催化劑在生物醫學領域的應用優勢在于其獨特的原子級結構、高效的催化性質和良好的生物安全性，這些特性為開發新型高效和選擇性強的生物催化劑提供了新的策略。

表1近年來已報道的單原子催化劑的化學組成、載體類型、生物性能以及生物應用領域

最后，作者指出了當前生物醫用單原子催化劑發展所面臨的挑戰。主要包括：現有單原子催化劑的制備成本較高；長期生物安全性評價還需進一步驗證；復雜生理環境下的催化活性的增強 / 失活機制以及長期的生物穩定性問題亟需重點關注；類酶催化活性與天然酶相比還存在較大的差距。盡管生物醫用單原子催化劑仍存在著上述問題，但是未來通過與材料科學、化學、生物學、醫學等多學科深度融合，研究人員有望開發具有更高活性、選擇性、生物相容性和生理環境下穩定的單原子催化劑，以實現不同疾病的高靈敏診斷和高效治療。

文章信息

徐世宇, 尹思源, 牛德超. 生物醫藥用單原子催化劑的限域載體及其調控機制. 科學通報, 2025, 70(23) 3843–3859

doi: 10.1360/TB-2024-1233

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