基于黑色素的具有区域选择性金铜界面的 Janus 纳米马达：加速界面电子中继以实现光热增强的化学动力学治疗

《Inorganic Chemistry Communications》：Melanin-based Janus nanomotors with regioselective Au Cu interfaces: accelerating interfacial electron relay for photothermal amplified chemodynamic therapy

　　

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  在Au上实现区域选择性Cu沉积，构建受限催化位点。
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  Au限域的Cu位点加速界面电子中继。
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  近红外光热输入驱动自热泳推进。
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  热放大效应增强Cu循环和活性氧生成。
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  MAuCu-H在体外实现强效协同光热治疗/化学动力学治疗疗效。

引言

将局部生化异常转化为放大的治疗反应，促进了刺激响应型催化纳米药物的开发。[1], [2]。在这些策略中，化学动力学治疗（CDT）因其通过Fenton或类Fenton反应将内源性H₂O₂转化为细胞毒性羟基自由基而备受关注。[3]。尽管前景广阔，CDT的治疗效果仍受两大相互关联的障碍限制。首要挑战是质量传输效率低下，因为致密的生物基质可能限制纳米颗粒扩散，降低催化剂与底物的接触。[4], [5], [6]。次要挑战是界面电子转移动力学缓慢，损害低价态催化中心的持续再生，而该中心对于持续性活性氧生成至关重要[7]。因此，理想的催化纳米药物不仅应克服生物传输屏障，还应显著加速催化位点的界面氧化还原转化。

突破传统纳米药物扩散主导的传输范式，需要在纳米颗粒水平实现主动能量转换。这种能量输入使纳米颗粒超越纯粹的布朗扩散，在非平衡运动状态下运行。因此，合成纳米马达尤其引人注目，因为它们可以将环境能量或外部供给能量转化为自主运动[8], [9], [10]。然而，定向推进需要结构极性以避免局部梯度的相互抵消，这使得Janus纳米结构特别适合自推进[11], [12], [13], [14]。根据能源类型，Janus纳米马达可以通过化学、磁性、声学或光学方式驱动，其中化学驱动系统被探索得最为广泛。传统的化学驱动纳米马达依赖H₂O₂通过自扩散泳或气泡反冲产生推力。然而，其生物学适用性严重受限于化学燃料在复杂生物环境中异质且受限的分布。相比之下，光驱动热泳Janus纳米马达提供了一种无需燃料且外部可控的替代方案，其中结构不对称性实现各向异性光热转换，产生局部热梯度从而在不消耗内源性化学燃料的情况下驱动推进。这种光驱动的 locomotion 使纳米颗粒能够在致密生物基质中改善传输，同时促进局部流体混合，从而提高治疗催化剂与内源性底物之间的相遇频率。更重要的是，驱动自推进的光热输入还可以作为热驱动力加速界面氧化还原转化，将主动传输与动力学增强的活性氧生成直接联系起来[15], [16], [17], [18]。因此，将光驱动致动机制整合到Janus马达系统中，不仅实现了在受限生物环境中催化剂的主动传输，还在化学动力学反应动力学主导的催化界面上创造了局部光热能量输入。

尽管光驱动Janus纳米马达可以改善催化剂-底物的相遇，但仅靠增强的递送并不能确保高效的化学动力学转化。在类Fenton CDT中，持续性活性氧生成依赖于低价态金属中心的再生，特别是Cu(II)向Cu(I)的还原以激活H?O?[19], [20], [31]。因此，氧化还原活性金属、贵金属组分和双金属界面已被用于促进电子转移和金属价态循环。导电Au区域可以影响相邻Cu位点的电子迁移和电子环境[21], [22], [23]。这一效应取决于Au和Cu的空间排列，因为随机修饰或定位不良的沉积可能削弱界面耦合[24], [25], [26], [27], [28]。因此，Cu物种与定义明确的Au富集区域优先结合，可能有助于将不对称光热行为与Cu介导的氧化还原催化耦合起来。

在此，我们报道了一种雪人状黑色素基Janus纳米马达（MAuCu-H），该纳米马达结合了区域选择性金属沉积、近红外增强运动和光热增强的Cu介导催化。Cu物种优先与Au富集半球结合，产生Au支撑的Cu催化域，同时保留不对称结构。使用4-硝基酚还原反应作为模型评估界面电子转移动力学。在近红外照射下，MAuCu-H表现出增强的运动和在人肝癌（HepG2）多细胞球体中的增加积累。额外的加热和材料对照实验用于区分整体温度贡献与不对称颗粒直接照射相关的响应。由此产生的光热输入还加速了Cu介导的催化并增加了细胞内活性氧生成，支持了体外增强的协同光热治疗/化学动力学治疗效果（见方案1）。

章节片段

MAuCu-H Janus纳米马达的合成与表征

首先通过光学和表面电荷分析确认了MAuCu-H Janus纳米马达的成功构建。如图1a所示，裸黑色素纳米颗粒（M NPs）表现出宽吸收，而Au和Cu的顺序沉积引入了明显的等离激元吸收特征，表明金属组分的掺入。Zeta电位测量进一步支持了分步表面修饰（图1b）。M NPs和MAu显示出?25.3的负表面电位

结论

总之，我们开发了一种雪人状MAuCu-H Janus纳米马达，其特征是在Au半球上而非黑色素表面实现区域选择性Cu沉积。这种空间限域的Au支撑Cu催化域保留了自热泳推进所需的不对称架构，同时促进了界面电荷重新分布和Cu(II)/Cu(I)循环。4-NP还原模型证实了界面电子转移加速和较低的表观激活能，从而

CRediT作者贡献声明

薛成龙：初稿撰写。赵小雨：方法论。杨子文：软件。张文琪：概念化。史立进：可视化。黄光军：项目管理。帅琦：资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本论文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：22073075）的资助。我们感谢西北农林科技大学生命科学研究中心（黄科锐、黄慧珍、刘旭荣）提供的技术支持。作者感谢eceshi（www.ece-shi.com）进行XPS测试。

帅琦于2008年在中国西北大学获得博士学位。目前是西北农林科技大学化学院教授。她的研究方向聚焦于纳米马达的设计与合成、仿生功能化及其生物医学应用。

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