液态镓纳米酶涂层实现持续一氧化氮生成并具有抗氧化和抗炎功能

《Advanced Science》：Liquid Gallium Nanozyme Coatings Enable Sustained Nitric Oxide Generation With Antioxidant and Anti-Inflammatory Functions

　　

人工纳米酶（nanozymes）被定义为模拟酶样催化活性的纳米材料，通过将催化活性与结构稳定性和化学多功能性相结合，成为生物医学应用中的适应性工具。在此，研究人员引入液态镓（Ga）作为一氧化氮（NO）生成的催化中心，并展示其转化为多功能涂层。Ga纳米颗粒用单宁酸（TA）稳定并嵌入到TA-锆（TA-Zr⁴⁺）金属酚网络（MPN）中，产生坚固、基底无关的薄膜。Ga通过电子转移催化S-亚硝基硫醇（RSNOs）的分解，从而能够从模型供体如S-亚硝基谷胱甘肽（GSNO）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）中的内源性前体生成NO，且活性在多轮循环中保持。TA-Zr⁴⁺框架稳定了涂层并贡献了固有的抗氧化和抗炎活性，从而形成一个放大治疗结果的平台。功能上，涂层显示出可调的NO生成，将HUVECs中的细胞内NO水平提高约48%，在脂多糖（LPS）刺激下将促炎细胞因子肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）分别降低约35%和约40%，并支持内皮生物相容性。总之，这些发现确立了液态镓作为NO生成的有效催化剂，并提出了一种设计策略，将植入物涂层从传统的基于NO供体的系统推进到活性、再生和多功能治疗界面。

**论文解读：液态镓纳米酶涂层实现持续一氧化氮生成与抗氧化抗炎功能**

**研究背景与问题**

一氧化氮（NO）是血管健康的关键介质，在生理浓度下具有细胞保护和抗炎作用，但过度生成或与活性氧（ROS）反应可导致氧化和炎症损伤。对于植入式医疗器械，在炎症和氧化微环境中实现持续且生理相关的NO递送至关重要。然而，传统NO释放涂层依赖封装在聚合物或杂化基质中的NO供体（如二氮烯鎓二醇或S-亚硝基硫醇RSNOs），存在突释、供体快速耗尽和长期疗效有限等问题。基于纳米酶（nanozymes）的催化材料可通过从内源性前体原位生成NO来克服这些局限，但现有系统大多依赖刚性固态表面，存在催化活性随时间下降、易生物污损和金属离子泄漏等缺陷。此外，仅生成NO不足以应对血管功能障碍相关的复杂炎症和氧化微环境，因此需要兼具催化NO生成、抗氧化、抗炎和促内皮化功能的多功能纳米酶涂层。液态金属（LMs），特别是低熔点镓（Ga）基合金，因其流动性、动态自更新界面化学和抗污垢特性，在催化领域展现潜力，但在生物医学NO生成方面的应用尚未被探索。本研究旨在开发一种基于液态Ga的纳米酶涂层，实现持续、可调的NO生成，并整合抗氧化和抗炎功能。

**研究内容与结论**

研究人员将液态Ga作为催化中心，通过单宁酸（TA）稳定Ga纳米颗粒，并嵌入TA-锆（TA-Zr⁴⁺）金属酚网络（MPN）中，构建了基底无关的TA-Zr⁴⁺-Ga涂层。该涂层通过Ga催化S-亚硝基硫醇（RSNOs）分解生成NO，兼具MPN固有的抗氧化和抗炎活性。实验表明，液态Ga在生理条件下表现出类酶催化活性，遵循米氏动力学，且pH依赖性催化活性源于GaOOH（羟基氧化镓）表面物种。TA-Zr⁴⁺-Ga涂层在多种医用材料上牢固附着，具有可调的NO生成能力，能在人脐静脉内皮细胞（HUVECs）中增强细胞内NO水平约48%，并降低脂多糖（LPS）刺激下促炎细胞因子TNF-α和IL-6约35%和40%。该研究将液态Ga确立为一种高效的NO生成催化剂，为植入物涂层从被动NO供体系统向主动、再生和多功能治疗界面的发展提供了新策略。论文发表在《Advanced Science》。

**关键技术与方法**

研究采用探针超声法制备TA稳定Ga纳米颗粒，通过旋涂法将TA-Zr⁴⁺-Ga分散液沉积于多种基底（钛、不锈钢、玻璃、PVDF膜等）形成涂层。利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）和紫外-可见光谱（UV-Vis）表征涂层形貌和化学结构。催化NO生成通过Griess试剂比色法和电化学NO探针实时监测，采用密度泛函理论（DFT）模拟计算催化机制。细胞实验使用HUVEC和RAW 264.7巨噬细胞（ATCC），全血样本来自健康成人（墨尔本大学人类研究伦理委员会批准）。抗氧化活性通过DPPH和ABTS自由基清除实验评估，抗炎活性通过ELISA检测TNF-α和IL-6水平，并采用免疫荧光染色评估NF-κB p65和IL-10表达。

**研究结果**

**2.1 液态Ga的酶模拟行为实现RSNO生成NO**
通过Griess法和电化学探针确认液态Ga能直接催化GSNO生成NO，反应遵循米氏动力学（V_max = 3.77×10^-14 M s^-1 mg^-1，K_m = 584.1 μM）。催化活性呈浓度依赖性和pH依赖性，碱性（pH 8.5）条件下活性最高，生理pH（7.4）下仍保持显著活性。DFT计算表明，GaOOH（羟基氧化镓）表面与RSNO的结合能最有利（-4.70 eV），是主要催化活性物种。

**2.2 将Ga催化转化为纳米颗粒平台**
探针超声制备的TA/Ga纳米颗粒（直径约13 nm包覆层）保持催化活性，初始NO通量为3.9×10^-12 mol s^-1 mg^-1。EDTA对照实验排除游离Ga³⁺离子的贡献，表明催化活性主要源于纳米颗粒表面。与Se纳米颗粒和PAH（聚烯丙胺盐酸盐）相比，TA/Ga纳米颗粒表现出中等且生物相容的催化性能。

**2.3 构建基底无关的多酚基TA-Zr⁴⁺-Ga涂层**
TA-Zr⁴⁺-Ga涂层通过旋涂法成功沉积于钛、不锈钢、玻璃、PVDF膜、铝和PVC/DEHP表面，甚至非平面钛丝，展现出优异基底无关附着力。SEM-EDS和AFM显示涂层均匀连续，厚度约159.4 nm，表面粗糙度约30-60 nm。水接触角测试表明涂层亲水性增强（~19°）。Raman光谱和XPS证实了TA-Zr⁴⁺金属配位键和Ga⁰及Ga³⁺物种的存在。ICP-OES显示Ga含量与旋涂次数线性相关。

**2.4 TA-Zr⁴⁺-Ga涂层的生物相容性与催化NO生成**
活死染色和Alamar Blue/CCK-8实验表明，1-2层Ga沉积的涂层对HUVEC和RAW 264.7细胞无显著毒性，且血液相容性良好（无溶血）。涂层在GSNO存在下可持续生成NO，且可重复使用至少5个循环。XPS和SEM证实涂层在孵育后结构稳定，Ga和Zr释放量低（10天内Ga累积释放约13%）。在无外源供体情况下，TA-Zr⁴⁺-Ga涂层通过催化内源性RSNOs显著提升HUVEC细胞内NO水平（约48%），DAF-FM荧光和eNOS免疫荧光染色表明该涂层兼具直接催化NO生成和促进eNOS表达的双重机制。

**2.5 TA-Zr⁴⁺-Ga涂层的抗氧化与抗炎活性**
DPPH和ABTS自由基清除实验显示涂层具有高效抗氧化能力，含Ga涂层在多次循环中表现出持续增强的清除活性。在LPS刺激的RAW 264.7巨噬细胞中，TA-Zr⁴⁺-Ga涂层显著降低TNF-α和IL-6水平（高达35%和40%），并降低NF-κB p65荧光信号，同时上调抗炎因子IL-10表达，表明Ga纳米酶催化的NO生成增强了免疫调节功能。

**结论**
这项研究将液态Ga确定为一种先前未被认识的酶模拟催化剂，能够从生理性S-亚硝基硫醇触发NO生成，并证明其可转化为稳定的TA-Zr⁴⁺-Ga涂层。通过将Ga介导的催化NO生成与MPN的固有抗氧化和抗炎功能相结合，这些涂层从模型供体和内源性细胞前体提供可调和持续的NO生成。其多功能活性、生物相容性和血液相容性突显了在血管移植物和其他植入式设备中的强大转化潜力。虽然目前的研究在静态条件下建立了TA-Zr⁴⁺-Ga涂层的催化NO生成活性和生物学性能，但在生理相关剪切流下的进一步评估对于评估涂层在动态血液接触环境中的耐久性、催化性能和生物学功能将很重要。此外，需要全面研究血液-材料相互作用，包括血小板粘附、凝血、蛋白质吸附和流动下的长期性能，以进一步确立该平台在血液接触植入应用中的适用性。总体而言，这项工作介绍了一种将液态金属纳米酶整合到MPN中的策略，为开发耐用、再生和多功能治疗表面奠定了基础。