清华大学雷钰教授/北师香港浸会大学赵樱灿教授ACS Nano：二维氮化硼基铜单原子催化剂的抗菌效能增强研究

最近，清华大学雷钰教授、密歇根州立大学Jose L. Mendoza-Cortes教授以及北师香港浸会大学赵樱灿教授在《ACS Nano》期刊上发表了二维氮化硼基铜单原子催化剂的抗菌效能增强研究的文章。铜基抗菌体系借助活性氧（ROS）实现高效病原体防控，但受限于铜离子释放引发的细胞毒性及细菌耐药性等问题。该研究通过将铜单原子催化剂（Cu SACs）锚定在生物相容性氮化硼（BN）纳米片上，构建了一种稳定、高效的抗菌平台，该平台可最大限度降低铜离子诱导的细胞毒性与细菌耐药性。这种结构设计能最大化金属利用率，并提升光催化产生活性氧（包括羟基自由基和超氧阴离子）的效率。铜与氮化硼之间通过缺陷辅助共价键形成稳定配位，有效避免了金属离子溶出。基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理量子计算，为活性氧生成的结构特征与反应机制提供了关键见解，揭示了铜与氮化硼表面的原子级相互作用如何提升催化活性，并阐明了活性氧形成过程中至关重要的电子转移路径及吸附能。这些发现不仅解释了所观察到的催化行为，更为开发高效、低毒性的单原子催化剂（SACs）基抗菌体系提供了宝贵的设计原则。此外，作者还通过实验与理论结合的方式研究了同周期其他元素（铬、锰、铁、钴、镍和锌）的抗菌性能。d-BN-Cu 体系能快速灭活大肠杆菌：在太阳光照射下，含铜纳米簇（铜原子百分含量 0.26%）的 d-BN-Cu₁可在 15 分钟内取得显著抗菌效果，而含铜单原子（铜原子百分含量 0.024%）的 d-BN-Cu₃在 30 分钟内即可实现高效抗菌。尽管铜含量越高抗菌效果越佳，但也会带来金属离子泄漏、细胞毒性升高等潜在风险。而单原子催化剂（SACs）的应用可有效规避这一问题 —— 所有铜单原子均通过共价键牢固锚定在六方氮化硼（h-BN）的缺陷位点上。细胞毒性测试与体内实验均证实，d-BN-Cu₃（单原子形式）在平衡安全性与抗菌效率方面具有独特优势。该单原子二维平台不仅能有效对抗革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌，还可显著降低金属本身带来的毒性风险。

要点分析

要点一：核心材料与设计：通过低温球磨制备缺陷氮化硼（d-BN），并在其表面锚定铜单原子催化剂（Cu SACs），构建了 d-BN-Cu 抗菌平台。该设计利用氮化硼（BN）的生物相容性和结构稳定性，结合 Cu SACs 的高原子利用率，既避免了铜离子泄漏导致的细胞毒性，又提升了光催化活性。

要点二：抗菌机制：主要通过两种途径协同杀菌：一是二维材料的原子级尖锐边缘对细菌细胞膜的物理破坏；二是 Cu SACs 在光照下催化产生羟基自由基（・OH）和超氧阴离子（・O₂⁻）等活性氧（ROS），破坏细菌表面蛋白质和磷脂双分子层，抑制其代谢增殖。

图文导读

图1. (a) d-BN-Cu₃的合成方法示意图；(b) d-BN 和 d-BN-Cu₃的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像；(c) 能量色散谱（EDS）mapping 图，显示 Cu 在 d-BN-Cu₃纳米片上的均匀分布；(d) d-BN、d-BN-Cu₁、d-BN-Cu₂和 d-BN-Cu₃的 X 射线光电子能谱（XPS）全谱；(e) d-BN、d-BN-Cu₁、d-BN-Cu₂和 d-BN-Cu₃的 Cu 2p XPS 谱（由于 Cu 含量较低，对 d-BN-Cu₂的信号进行了平滑处理并增强 3 倍，对 d-BN-Cu₃的信号增强 5 倍）；(f) d-BN-Cu₃的 Cu K 边 X 射线吸收近边结构（XANES）归一化谱图；(g) d-BN-Cu₃的扩展 X 射线吸收精细结构（FT-EXAFS）拟合曲线；(h) BN 和 d-BN 的傅里叶变换红外光谱（FTIR）；(i) 负载不同 Cu 浓度的 BN 的 zeta 电位。

图2. (a) 通过菌落计数法评估负载不同金属离子（Co、Cr、Fe、Mn、Ni、Zn、Cu）的 d-BN 对大肠杆菌的抗菌活性，负载 Cu 的 d-BN（d-BN-Cu）表现出最强杀菌效果（菌液浓度为 10⁶ CFU・mL⁻¹，在 37℃、120 rpm 恒温摇床中培养 3 小时，培养后混合液稀释 100 倍接种计数，抗菌材料工作浓度为 100 ppm）；(b) d-BN、d-BN-Cu₁、d-BN-Cu₂、d-BN-Cu₃对大肠杆菌的抗菌率；(c) 上述材料对金黄色葡萄球菌的抗菌率；(d) 模拟光照条件下（400-1076 nm，AM 1.5 G，100 mW・cm⁻²）d-BN、d-BN-Cu₃、d-BN-Cu₁对大肠杆菌的抗菌效果测试（暗处理组在室温避光条件下进行，对照组为生理盐水与菌液混合液）；(e) 100 ppm 浓度下，对照组、d-BN-Cu₂和 d-BN-Cu₃在太阳模拟器下的光热效应；(f) d-BN-Cu₃在光照（50℃）和黑暗（22℃）条件下的光热时间曲线。

图3. (a) d-BN-Cu 的抗菌机制示意图；(b) 扫描电子显微镜（SEM）下，经抗菌材料处理前后的大肠杆菌形态；(c、d) 电子顺磁共振（EPR）分析 d-BN-Cu 在光照和无光照条件下的 ROS 生成情况，显示光照下羟基自由基（・OH）产量增强；(e、f) EPR 测试 d-BN-Cu₃在光照和无光照条件下对超氧阴离子（・O₂⁻）的催化效果。

图4. 细菌感染小鼠炎症伤口愈合率统计图：(a) 大肠杆菌感染组；(b) 金黄色葡萄球菌感染组（小鼠感染细菌 1 天后，分组接种 d-BN、d-BN-Cu₃、d-BN-Cu₁和生理盐水（对照组））；(c) 金黄色葡萄球菌感染实验中，对照组和 d-BN 组的小鼠伤口图像；(d) 感染后第 3 天，每组取 1 只小鼠的伤口组织切片进行苏木精 - 伊红（H&E）染色分析。

图5. 基于杂化密度泛函理论计算的 BN 缺陷结构及电子特性：(a) 不同结构（原始 BN、氮空位（vN）、氮空位且硼键合氧（vN{3B}-Ob1-B）、氮空位且硼键合 Cu（vN{3B}-Cub1-B）、氮空位且硼键合氧和 Cu（vN{3B}-Ob1-B - Cub2-B,B））的优化几何结构（透视视图、侧视图、俯视图）；(b) 上述结构的自旋极化原子投影态密度（DOS）（相对于真空能级校准）；(c) 多缺陷结构（以 vN{3B}-Ob1-B -Cub2-B,B 为基础，添加 CuN、NB、OB 缺陷）的优化几何结构；(d) 多缺陷结构的自旋极化原子投影态密度；(e) 原始 BN 从单层到体相的带隙随层数变化；(f) vN{3B}-Ob1-B - Cub2-B,B 缺陷结构的带隙随层数变化（1-3 层）。

总之，该研究成功开发了基于铜单原子催化剂（d-BN-Cu₃）的二维抗菌平台，通过将 Cu SACs 锚定在生物相容性良好的氮化硼纳米片上，实现了高抗菌效率与低毒性的平衡。该平台在光照下可高效催化产生 ROS，快速灭活革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，且单原子形式的 Cu 能有效避免离子泄漏导致的细胞毒性；体内实验证实其可加速细菌感染伤口的炎症愈合。DFT 计算揭示了 B-O-Cu 配位结构及多晶格缺陷对提升光催化活性的关键作用，为设计高效、可持续的单原子催化剂抗菌系统提供了理论指导。该研究为解决耐药细菌引发的公共卫生挑战提供了新策略，也为二维材料在单原子催化抗菌领域的应用奠定了基础。

全文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c13145

参考文献：Enhanced Antibacterial Efficacy of Copper Single-Atom Catalysts on a Two-Dimensional Boron Nitride Platform. Wenbo Li, Daniel Maldonado-Lopez, Yingcan Zhao, Cong Wang, Jianxiang Gao, Bowen Sun, Yichao Bai, Linxuan Sun, Mingchuang Zhao, Haoqi He, Jiatao Lou, Qiangmin Yu, Xi Zhang, Vijay Kumar Pandey, Feiyu Kang, Mauricio Terrones, Jose L. Mendoza-Cortes, Yu Lei. ACS Nano. 2025, DOI: 10.1021/acsnano.5c13145.