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背景介绍
细菌感染被广泛认为是伤口愈合的首要障碍。近年来，具有环境友好性和优异生物相容性的生物纳米材料已成为生物酶的有前景替代品，特别是在通过光驱动过氧化氢（H₂O₂）生成替代抗生素用于抗菌应用方面。光催化H₂O₂合成的反应路径由分子氧在光催化剂上的吸附构型决定，主要包括两种模式：双氧原子吸附（Yeager型）和单氧原子吸附（Pauling型）。Yeager型吸附模型（桥式构型）倾向于2e⁻氧还原反应（ORR）和4e⁻ORR路径。相比之下，Pauling型吸附模型（端基构型）稳定O-O键，从而促进活性氧（ROS）和H₂O₂生成。多种催化剂，包括金属纳米晶体、金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs），已被报道用于促进光催化H₂O₂生成以增强抗菌活性。其中，具有未充满d轨道的铂基纳米材料可促进氧吸附并催化氧还原反应（ORR），从而在H₂O₂生产用于抗菌应用中展现出巨大潜力。然而，在所有已报道的Pt基催化剂中，O₂的吸附构型倾向于采用桥式吸附构型，这不利于2e⁻ORR路径，因此导致H₂O₂生产的催化效率低。
研究思路
针对上述挑战，北京大学邓旭亮教授、郭少军教授、刘友星等团队报道了一种合理设计的分子级纳米限域策略，实现Pt纳米簇（NCs）的均匀分散，显著提升2e⁻ORR反应动力学。增强的催化性能源于具有高曲率的Pt NCs诱导的Pauling型O₂分子吸附。为实现Pt NCs在明确纳米腔内的分子级限域，团队合理选择1,3,5-三甲酰基间苯三酚（Tfp）和4,4'-二氨基联苯联苯胺（Db）作为分子构建模块，合成Tfp-Db COFs载体，其具有尺寸为3.0 nm的均匀纳米腔。由于*OOH中间体相关的较低自由能变化，限域在Tfp-Db COFs内的Pt NCs更倾向于表现出Pauling型O₂吸附，而非Tfp-Db COFs@Pt纳米颗粒上的Yeager型O₂吸附，这由电子顺磁共振（EPR）中更强的-OOH自由基以及通过Tfp-Db COFs@Pt NCs原位红外光谱鉴定的Pt-OOH和O₂⁻中间体所证实。Tfp-Db COFs@Pt NCs上的Pauling型O₂吸附增强2e⁻ORR路径，显著提高光催化H₂O₂生产的选择性（从45%提高到86%）和生成动力学（从1.55×10⁻³提高到3.12×10⁻³ mol L⁻¹ h⁻¹）。因此，Tfp-Db COFs@Pt NCs上的ROS中间体浓度比Tfp-Db COFs@Pt纳米颗粒高9.3倍，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌分别显示出98.0%和99.1%的杀菌效率。此外，在光照下，Tfp-Db COFs@Pt NCs促进感染伤口再生，第10天效率达100%，优于先前报道的生物纳米材料。相关内容以 Nanocavity Confining Platinum Nanoclusters Enhances Photocatalytic Two-Electron Oxygen Reduction for Wound Healing 发表在 Advanced Materials！
图片解析
图1. Tfp-Db COFs@Pt NCs的设计概念：(a,b) 催化剂表面氧的(a) Yeager型和(b) Pauling型吸附模型示意图；(c,d) 氧吸附在Pt颗粒(c)和Pt纳米簇(d)上的示意图；(e) Tfp-Db COFs@Pt NCs合成示意图；(f) Tfp-Db COFs@Pt NCs促进伤口愈合机制示意图。
图2. Tfp-Db COFs@Pt NCs的化学键合和结构表征：(a) Tfp-Db COFs@Pt NCs、Tfp和Db的FT-IR光谱；(b) Tfp-Db COFs的固态¹³C NMR光谱；(c) Tfp-Db COFs@Pt NCs的HR Cls XPS光谱；(d,e) 模拟Tfp-Db COFs的A-A堆叠(d)和A-B堆叠(e)示意图；(f) Tfp-Db COFs的实验（红）和模拟（蓝）XRD图谱；(g) Tfp-Db COFs@Pt NCs的TEM图像；(h) Tfp-Db COFs@Pt NCs的TEM图像及其能量色散X射线光谱映射。
图3. 光催化过氧化氢机制：(a) 暗和光照条件下Tfp-Db COFs@Pt NCs上-OOH的EPR谱；(b) Tfp-Db COFs@Pt NCs上光催化H₂O₂合成的原位红外光谱；(c) Tfp-Db COFs@Pt NCs和Tfp-Db COFs@Pt颗粒的H₂O₂选择性；(d,e) Tfp-Db COFs@Pt NCs上通过(d) 4e⁻ORR路径和(e) 2e⁻ORR路径的光催化氧还原自由能；(f) 不同时间Tfp-Db COFs@Pt NCs上O₂的动力学吸附行为。
图4. Tfp-Db COFs@Pt颗粒和Tfp-Db COFs@Pt NCs的体外抗菌性能：(a,b) 不同处理后金黄色葡萄球菌(a)和大肠杆菌(b)的细菌菌落、ROS荧光图像和扫描电镜图像；(c) 聚维酮碘的体外抗菌性能；(d) 不同处理后细菌活力的定量分析；(e,f) ROS荧光强度的定量分析；(g,h,i) 不同处理后金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的SEM图像。
图5. Tfp-Db COFs@Pt颗粒和Tfp-Db COFs@Pt NCs的体内抗菌性能：(a) 皮肤伤口感染模型和治疗示意图；(b) 不同组金黄色葡萄球菌菌落的代表性图像；(c) 不同处理后第3天组化染色中IL-6的积分光密度（IOD）；(d) p-IκBα、HO-1、p-AKT和GAPDH的代表性Western blot条带；(e) p-IκBα、HO-1和p-AKT表达水平的定量；(f) 不同处理后感染皮肤伤口的照片和Masson染色；(g) 所有组伤口愈合率的定量；(h) Tfp-Db COFs@Pt NCs在第10天促进感染皮肤组织愈合方面优于现有生物材料；(i) 不同处理后第10天免疫组化染色中COL-1的IOD。
结论
该研究报道了一种在分子水平构建纳米腔以限域Pt纳米簇（NCs）的新分子工程策略，抑制O-O键断裂以增强两步单电子ORR，从而显著促进H₂O₂生成并增强抗菌活性。Tfp-Db COFs@Pt NCs上H₂O₂的生成动力学为3.12×10⁻³ mol L⁻¹ h⁻¹，远高于纯Tfp-Db COFs（1.25×10⁻³ mol L⁻¹ h⁻¹）和Tfp-Db COFs@Pt颗粒（1.55×10⁻³ mol L⁻¹ h⁻¹），证实Pt NCs增强了光催化H₂O₂生成动力学。机制研究揭示，限域在Tfp-Db COFs中的Pt NCs诱导Tfp-Db COFs@Pt NCs上O₂的Pauling型吸附，促进2e⁻ORR用于光催化H₂O₂合成。此外，Tfp-Db COFs@Pt NCs的高光催化H₂O₂合成能力赋予其优异的抗菌性能，在光照下对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌分别显示出5.0 log₁₀CFU mL⁻¹和5.2 log₁₀CFU mL⁻¹的高杀菌效率。同时，所制备的Tfp-Db COFs@Pt NCs在第10天表现出接近100%的伤口愈合率，显著高于已报道的活性材料。总体而言，该工作建立了一种增强光催化H₂O₂合成动力学的新型限域策略，为合理设计高性能光催化剂以增强临床实践中的伤口愈合提供了有价值的见解。该研究的局限性包括：贵金属Pt的引入不可避免地增加整体材料成本，可能限制该光催化H₂O₂生产系统的大规模工业转化和实际临床应用；从低成本环保材料设计角度，减少甚至消除贵金属使用对于先进光催化治疗平台非常可取；未来工作将集中于合理优化催化剂结构和组分比例以有效降低贵金属消耗，同时充分保持Tfp-Db COFs@Pt NCs优异的的光催化、抗菌和伤口愈合活性。