轻木衍生薄壁大孔碳的异质界面重构实现生物安全微波吸收及双纳米酶抗菌活性

《ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA》：Heterointerface reconstruction of balsa-derived thin-walled macroporous carbon enables biosafe microwave absorption and dual-nanozyme antibacterial activity

　　

摘要

精密电子设备和植入式医疗器械的日益普及，要求新一代微波吸收材料超越单纯的电磁耗散，同时具备生物相容性和抗菌功能。本文报道了一种以椴木为原料的薄壁大孔碳，与Cu_1.8S和AgCl进行共改性，作为高性能、无细胞毒性且具有抗菌功能的微波吸收剂。通过利用异质界面工程，低溶解度的AgCl和Cu_1.8S纳米颗粒的协同整合产生了大量界面和氧空位，显著增强了介电极化和阻抗匹配能力。因此，优化后的BPC-2在1.7 mm厚度下实现了?42.1 dB的优异最小反射损耗（RL），在1.9 mm厚度下具有6.5 GHz的有效吸收带宽（EAB）。此外，采用XGBoost结合SHAP可解释性方法，定量解耦了匹配阻抗（39.2%）和衰减常数（23.5%）对反射损耗的贡献，指导了材料系统的理性设计。在电磁性能之外，该复合材料通过双机制展现出强效广谱抗菌活性（例如对大肠杆菌的MIC = 0.125 mg mL^?1），涉及纳米酶催化的活性氧（ROS）生成（类过氧化物酶/类过氧化氢酶活性）和可控的Ag⁺释放。关键在于，使用稳定化合物而非游离金属离子确保了低细胞毒性，在工作浓度下保持超过80%的细胞活力。本研究为设计多功能生物碳复合材料提供了范式，将高效微波吸收与可靠生物安全性相结合，适用于复杂抗菌环境。

引言

由于电子设备向更高频率和更高集成度快速发展，过度的电磁辐射干扰精密设备的稳定运行，并对人体神经系统和免疫系统构成潜在风险。为应对这些问题，微波吸收材料（MAMs）能够通过将入射微波能量转化为热量进行耗散，从而有效缓解上述危害[1]、[2]、[3]。在众多类型的MAMs中，生物基碳因其来源广泛、成本低廉、环境友好和可再生性而受到广泛关注[4]、[5]、[6]。然而，原始生物碳通常存在有限的损耗机制和因导电性过高导致的阻抗失配问题。因此，引入额外组分以优化阻抗匹配并丰富固有吸收机制是提高其电磁波吸收性能的有效策略[7]、[8]。例如，Huang等[9]以松果为生物源，通过水热处理和热解制备了CeO₂/多孔碳复合材料。受益于多孔碳骨架内的导电协同效应、异质界面处的多种界面极化和CeO₂独特结构中的氧空位缺陷，该复合材料在1.9 mm厚度下实现了?56.04 dB的最大反射损耗（RL），在2.1 mm厚度下具有5.28 GHz的有效吸收带宽（EAB）。Zhang等[10]成功构建了一种新型一维异质结构杂化材料，将二维MoS₂@Fe₃O₄锚定在香蒲基一维空心微管的表面。空心碳管内MoS₂@Fe₃O₄纳米颗粒的规则分布可促进电子传输和导电损耗，同时改善阻抗匹配，从而赋予该杂化材料优异的微波吸收性能。即便如此，传统生物炭基吸收材料的设计仍主要围绕薄、轻、强吸收和宽频带等基本电磁衰减准则。然而，随着服役环境日益复杂，单一的吸波功能已无法满足现代设备的需求[11]、[12]。在此基础上，具有柔韧性、导热性、耐腐蚀性或适应复杂环境能力的多功能电磁防护材料成为该领域的重要研究方向[13]、[14]。

目前，随着应用场景的扩展，MAMs越来越多地需要在含有微生物的复杂微环境中发挥作用，例如皮肤接触式可穿戴医疗设备、植入式电子设备和海洋隐身设备[15]、[16]、[17]。在这种情况下，吸收剂表面极易受到细菌黏附和随后的生物膜形成。随后，微生物分泌的酸性代谢物和胞外酶会腐蚀组分界面并破坏微结构，最终导致微波吸收性能不可逆地退化甚至失效[18]、[19]。因此，赋予MAMs高效抗菌功能对于维持其在复杂微生物环境中的功能稳定性至关重要。近年来，关于抗菌MAMs的报道仍然有限，现有系统的抗菌效果主要通过大量释放金属离子来实现。例如，Li等[20]以Co-MOF-74为前驱体并引入DMAOP制备了一系列Co/DMAOP复合材料。其中，Co/DMAOP-120不仅表现出出色的电磁波吸收性能，而且展现出比纯Co更强的抗菌活性，即对金黄色葡萄球菌的初始抗菌率达到93.89%，并且在72小时振荡培养后仍能保持持久的抗菌活性。Li等[21]还构建了一种碳泡沫支撑的核壳Cu/ZnO复合材料，具有8.64 GHz的超宽EAB。由于光热效应和大量Zn²⁺和Cu²⁺释放的协同作用，该复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出高效的抗菌活性，同时通过破坏小球藻的细胞膜而具有优异的抗藻能力，从而诱导细胞死亡。然而，使用单质过渡金属及其氧化物作为抗菌功能组分导致明显的不良反应，即仅依赖大量金属离子释放的杀菌机制不仅损害长期生物相容性，还可能引发炎症反应或遗传毒性效应，从而构成重大的生物安全风险[22]、[23]。将强效抗菌功效与不受控的离子释放解耦至关重要。因此，同时实现高效微波吸收、抗菌活性和生物相容性仍是此类多功能MAMs面临的关键挑战。

基于上述分析，本工作选择了椴木衍生的多孔碳作为载体，其天然蜂窝状孔架构可以为入射电磁波的多重散射-反射提供导波通道[24]、[25]，并且由于其较大的比表面积和丰富活性位点而有利于功能组分的负载。此外，引入低溶解度的AgCl作为Ag⁺的可控释放源以维持高效的抗菌活性，其可作为自限性储库，在高于抗菌阈值的浓度下持续释放Ag⁺，同时保持在通常与细胞毒性相关的水平以下。此外，Cu_1.8S的引入不仅构建了丰富的异质界面以增强介电极化，还赋予复合材料双重氧化酶（OXD）和类过氧化物酶（POD）纳米酶活性，催化局部生成活性氧（ROS）。通过涉及OXD和POD纳米酶活性催化ROS生成以及可控Ag⁺释放协同作用的双重杀菌机制，所制备的复合材料降低了对持续金属离子泄漏的依赖，从而在不牺牲其强微波吸收能力的情况下进一步协调高效抗菌性能和低细胞毒性。此外，采用XGBoost和SHAP可解释性模型对决定反射损耗和EAB的因素进行了设计导向的定量分析，阐明了各变量对微波吸收性能的贡献。本工作为电磁防护复合材料提供了有价值的设计策略，可同时满足当前应用场景中的抗菌功效和生物安全性要求。

章节摘要

原料生物质和化学试剂

椴木条购自成都市木材市场。硫脲（CH₄N₂S）购自中国山东省的西亚试剂公司。氯化铜（CuCl₂·2H₂O）购自中国成都市的Chron Chemicals公司。硝酸银（AgNO₃）购自中国广东省的Ghtech公司。去离子水（DW）为自制，合成中使用的试剂均为分析纯。

从椴木制备BPC

首先，将椴木条

BPCs结构特征分析

如图2a所示，通过X射线衍射（XRD）研究了所制备复合材料的相组成和结构演化。BPC在20°–30°处呈现宽泛的衍射峰，表明生物基碳为典型的非晶态。对于经过第一次水热过程后获得的BPC-0，除了BPC的非晶衍射峰外，还可以观察到弱结晶峰（以*和#标记），其中28.5°处的峰为

结论

总之，以椴木为多孔前驱体，制备了一系列Cu_1.8S/AgCl共改性多孔生物炭，其中大量异质界面的界面极化和氧空位诱导的偶极极化可以通过Ag⁺前驱体的调控来构建。因此，这些极化弛豫效应与蜂窝多孔结构的多重散射之间的协同作用，为BPC-2的高效电磁吸收做出了贡献，即

作者贡献声明

苗晓宇：调查。蓝迪：撰写–审阅与编辑。唐道富：撰写–初稿，调查。尹鹏飞：撰写–审阅与编辑。张怡：方法论。孙西元：方法论

利益冲突声明

作者声明在本工作中不存在利益冲突。

资金支持声明

本工作得到四川省自然科学基金一般项目（2026NSFSC0062）、中央引导地方科技发展专项（2021ZYD0041）和四川农业大学学科建设双支撑计划自由探索项目（2024ZYTS028）的资助。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

唐道富|苗晓宇|蓝迪|张怡|孙西元|尹鹏飞