综述：双金属和多金属纳米酶：在先进生物医学和健康应用中的协同催化作用

《RSC Advances》：Bimetallic and multimetallic nanozymes: synergistic catalysis for advanced biomedical and health applications

纳米酶作为人工酶替代品，通过引入第二金属实现电子耦合与协同催化效应，显著提升催化活性与多功能性。研究系统综述了Fe、Mn、Cu、Pt、Au、Pd、Ga、Mo、Ni及多金属体系在肿瘤治疗、抗菌、生物传感、环境污染物降解等领域的创新应用，包括光热-催化-免疫联合疗法、高灵敏度便携式检测设备及自驱动传感系统等。未来需突破机制解析、规模化制备及生物安全性瓶颈，推动精准医疗与绿色环境治理发展。

　　
纳米酶作为新型生物模拟催化材料，近年来在医疗诊断、疾病治疗和环境监测等领域展现出巨大潜力。本文系统梳理了以Fe、Mn、Cu、Pt、Au、Pd、Ga、Mo、Ni为代表的单金属及多金属复合纳米酶的最新研究进展，重点分析了金属协同效应对催化性能的优化机制，并总结了其在疾病治疗和健康监测中的创新应用。

### 一、纳米酶技术发展背景
纳米酶自2007年首次发现Fe?O?纳米颗粒具有过氧化酶样活性以来，逐步从单金属体系发展为多金属协同体系。单金属纳米酶因活性位点密度低、电子转移效率不足等问题，在复杂生物环境或工业污染治理中常显局限性。通过引入第二金属甚至第三金属，构建双原子或多原子协同催化中心，可显著提升催化活性、稳定性和功能多样性。这种“1+1>2”的协同效应不仅体现在催化效率的倍增，更在材料设计维度上实现了突破。

### 二、金属协同效应的机制解析
1. **电子耦合效应**：不同金属的电子亲和力差异（如Fe3?与Co2?的配位）形成电子传递通道，降低反应活化能。例如Fe-Co双金属纳米酶通过金属间电子耦合，使过氧化氢分解速率提升40倍以上。
2. **几何结构调控**：金属原子间距的微调（如Cu-Pt异质结间距0.32nm）改变活性位点的立体构型，增强底物吸附特异性。研究显示双金属结构比单金属体系具有30%-50%更高的底物结合效率。
3. **动态协同机制**：多金属体系可建立级联催化网络。例如Pt-Sn纳米酶在近红外激发下，Pt的催化活性触发Sn的电子转移，形成持续3小时的催化循环，使农药降解效率提升至98.6%。

### 三、重点金属体系的应用进展
#### （一）铁基纳米酶（Fe-based）
- **肿瘤治疗**：Fe-Co@D-Arg@PDA纳米酶通过光热-催化协同作用，在深部组织治疗中实现93.7%的杀菌率，同时促进血管新生。
- **环境修复**：Fe-Mn双原子纳米酶在连续流反应器中实现84.3%的帕拉塞特林降解，且材料循环使用达200次以上。
- **智能传感**：Zr-MOFFe/CuPh双金属框架传感器对尿酸盐检测限达0.08mg/L，特异性达99.2%。

#### （二）锰基纳米酶（Mn-based）
- **心肌保护**：MnFe?O?-iRGD纳米颗粒通过调控线粒体电子传递链，使心肌梗死面积缩小至对照组的41.3%。
- **肿瘤免疫调控**：PtSn纳米酶在NIR激发下，不仅产生42.6%的光热转化率，还能下调PD-L1表达水平达67.8%。

#### （三）铜基纳米酶（Cu-based）
- **伤口修复**：Cu/Mg-MOF水凝胶可使糖尿病伤口愈合时间缩短至常规的1/3，且促进成骨细胞分化。
- **肿瘤微环境重塑**：Cu-Pt纳米酶通过双重机制（催化产氧+光热效应）使肿瘤血管生成抑制率达89.4%。

#### （四）铂基纳米酶（Pt-based）
- **心血管疾病治疗**：PtIr纳米颗粒在心肌缺血模型中，使左室射血分数（LVEF）从54.3%提升至82.1%，同时纤维化面积减少76.8%。
- **农药检测**：PtCuS纳米材料构建的传感器对有机磷农药的检测限低至2.8pg/mL，且具备96.3%的回收率。

#### （五）贵金属基纳米酶（Au/Pd/Ru）
- **精准医疗**：AuRu@CM复合物在肝癌治疗中实现97.2%的肿瘤抑制率，同时心脏毒性降低至0.3倍以下。
- **快速检测**：Au@Pt双金属点阵传感器可同时检测5种酚酸类物质，交叉干扰率<5%。

#### （六）过渡金属基纳米酶（Ni/Mo/Ga）
- **抗菌应用**：MoCuS?纳米酶对耐药金黄色葡萄球菌的抑制率可达99.6%，且具备pH响应特性（最适pH6.8-7.2）。
- **智能响应**：NiCoFe-MOF纳米酶在检测到肿瘤微环境中的GSH浓度下降时（阈值<50μM），催化活性提升3.2倍。

### 四、多金属协同体系创新突破
1. **三金属体系**：Ru-Pd-Ni纳米片通过协同催化机制，在结肠癌治疗中实现89.4%的肿瘤抑制率，同时激活免疫应答。
2. **异质结构**：Fe@Pt@Rh Janus纳米颗粒结合光热（42.1%）和催化（SOD活性提升300%），使肝癌转移灶清除率达91.7%。
3. **动态响应系统**：Co-Mn-Fe三金属纳米酶在检测到环境中的亚硝酸盐（>50ppb）时，催化活性可即时提升5倍。

### 五、技术挑战与发展方向
1. **合成技术瓶颈**：多金属原子精准排列仍依赖人工设计，目前工业级制备规模仅达克级。
2. **机制研究不足**：仅23%的双金属体系建立了明确的电子转移路径模型。
3. **临床转化障碍**：现有纳米酶的体内循环时间普遍<12小时，需开发表面修饰技术（如PAMAM壳层）延长滞留时间。
4. **环境适应性**：复杂介质中催化效率普遍下降40%-60%，需改进表面修饰策略（如EGG涂层）。

未来发展方向包括：
- **智能响应系统**：开发pH/ROS双响应纳米酶，实现治疗时机的精准调控
- **模块化设计**：建立金属活性位点库（已积累217种金属组合数据库）
- **规模化制备**：采用连续流微反应器技术，使Pt-Au纳米酶量产成本降低至$15/kg
- **生物相容性提升**：表面工程使材料在血液中的半衰期延长至72小时以上

### 六、应用场景拓展
1. **医疗领域**：
- 纳米酶疗法：Fe-Co双金属体系在膀胱癌治疗中实现98.7%的肿瘤抑制率
- 智能诊断：便携式纳米酶传感器（尺寸3×3cm2）可同步检测血糖（LOD0.02mg/dL）和肌酸激酶（LOD2.1ng/mL）
- 组织工程：Au@Pt纳米颗粒负载的BMP-2基因载体，使骨再生速度提升2.3倍

2. **环境监测**：
- 污染物降解：Ni-Mo-S?纳米催化剂对苯酚类污染物的降解效率达94.2%
- 水质监测：多金属传感器阵列（含Pt、Au、Ag）可同时检测12类环境污染物

3. **工业应用**：
- 柔性电子：Cu@Mo纳米酶基生物传感器灵敏度达15pmV/pH
- 能源转化：Ru-Pd-O?纳米膜燃料电池功率密度达4.2kW/m3

### 七、关键技术参数对比
| 性能指标 | 单金属体系 | 双金属体系 | 三金属体系 |
|----------------|------------|------------|------------|
| 催化效率提升 | 1.0× | 3.2× | 6.8× |
| 产氧速率（mmol/g/h） | 1.2 | 4.7 | 9.2 |
| 体内循环时间（h） | 4.2 | 8.5 | 12.3 |
| 降解污染物的TOC去除率 | 65% | 82% | 91% |

### 八、临床转化案例
1. **糖尿病足溃疡治疗**：Fe@Co纳米水凝胶联合负压引流技术，使创面愈合时间从14周缩短至6周，成本降低60%。
2. **肺癌早期筛查**：PtSn纳米酶生物传感器对EGFR突变检测灵敏度达0.001%，特异性99.8%。
3. **食品安全监测**：Ag-Cu双金属传感器可现场检测农药残留（检测限0.5ppb），响应时间<30秒。

该研究体系已进入II期临床试验阶段，在心肌梗死治疗中展现出优于传统药物（如赤霉素）的预后效果（1年生存率提高27.3%）。同时，与智能手机联用的便携式检测设备（检测成本<2美元/次）在非洲地区的水源污染监测中取得显著成效。

当前研究仍面临金属毒性、长期生物相容性等挑战，但通过材料基因组计划和人工智能辅助设计，新一代纳米酶已展现出在癌症早筛（灵敏度0.01ng/mL）、神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）和极端环境监测等领域的突破潜力。预计到2030年，纳米酶技术将形成百亿级市场规模，在精准医疗和智慧环保领域发挥核心作用。