深圳大学王丹教授MCF:银纳米颗粒修饰CeO₂ HoMS非线性调控氧空位,实现抗菌-抗氧化协同用于糖尿病伤口愈合

第一作者：商灵灵

通讯作者：王丹，王宇光，赵德偲 

通讯单位：中国科学院过程工程研究所、深圳大学、北京大学口腔医院

论文DOI：10.1039/D6QM00060F

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糖尿病足溃疡等慢性感染性伤口，长期受到细菌感染和氧化应激的双重困扰：细菌难以清除，会持续诱发炎症反应；而过量活性氧（ROS）又会进一步损伤组织、延缓修复。如何在“高效杀菌”和“避免过度氧化损伤”之间取得平衡，是感染性伤口治疗中的关键难题。

针对这一问题，中国科学院过程工程研究所、深圳大学、北京大学口腔医院联合研究团队在Materials Chemistry Frontiers发表研究，构建了银纳米颗粒修饰的CeO₂中空多壳层结构纳米平台（Ce HoMS/Ag）。该材料利用AgNPs对CeO₂表面氧空位的非线性调控，选择性抑制类过氧化物酶（POD）活性，同时保留并增强类超氧化物歧化酶（SOD）和类过氧化氢酶（CAT）活性；进一步结合 Ag⁺缓释作用，实现抗菌与抗氧化的协同。

在糖尿病小鼠感染伤口模型中，Ce HoMS/Ag显著加速伤口闭合，第10天伤口愈合率达到85.91%，为复杂感染微环境下多功能纳米酶的结构设计提供了新思路。

背景介绍

以糖尿病足溃疡为代表的慢性伤口，是临床治疗中的重要挑战。高血糖微环境会削弱局部免疫功能、影响微循环，并增加细菌感染风险；一旦细菌生物膜形成，伤口区域便会出现持续炎症反应，并伴随H₂O₂、O₂·⁻ 等ROS大量积累。

传统抗生素能够杀菌，但长期或过度使用容易诱导耐药；单一抗氧化策略可以缓解氧化应激，却难以从源头清除感染。因此，理想的治疗材料不应只具备单一功能，而应能够在感染伤口微环境中同时完成两件事：一方面高效抑菌，另一方面清除过量ROS、保护正常组织。

CeO₂纳米酶因Ce³⁺/Ce⁴⁺可逆循环而具有多重类酶活性。其中，SOD/CAT样活性有利于清除ROS、缓解氧化应激；POD样活性则可催化H₂O₂产生 ·OH，用于氧化杀菌。然而，POD活性过强可能造成新的氧化损伤，POD活性过弱又会降低杀菌效率。因此，精准调控CeO₂表面氧空位与 Ce³⁺/Ce⁴⁺比例，是实现“杀菌—抗氧化”平衡的核心。

银纳米颗粒（AgNPs）具有优异抗菌能力，但在生理环境中容易团聚，导致活性位点减少、抗菌效率下降，并可能带来细胞毒性。将AgNPs稳定分散在生物相容性载体上，是提升其抗菌效率并降低副作用的重要策略。中空多壳层结构（HoMS）具有高比表面积、大孔容、多壳层物理屏障和“容器效应”，能够促进纳米颗粒高分散负载，并为界面电子转移和微环境调控提供结构基础。

研究亮点

本研究开发了一种AgNPs修饰的中空多壳层结构CeO₂（Ce HoMS/Ag）复合材料，通过双功能抗菌-抗氧化策略应对复杂感染微环境。研究亮点如下：

• 以CeO₂ HoMS作为结构平台，实现AgNPs的高分散、稳定负载，充分暴露抗菌活性位点，并有效抑制银纳米颗粒团聚。

• 揭示Ag负载量对CeO₂表面氧空位浓度的非单调调控规律，即氧空位随 Ag 含量增加呈“先降低、后升高”趋势，从而为精准调节纳米酶活性提供窗口。

• 通过选择性降低POD活性、保留并增强SOD/CAT活性，缓解传统CeO₂纳米酶在“强杀菌”和“低氧化损伤”之间的矛盾。

• Ce HoMS/Ag依靠Ag⁺缓释与POD活性协同杀菌，并在糖尿病小鼠感染伤口模型中显著促进愈合，第10天伤口愈合率达85.91%。

图文解析

Scheme 1 示意图：Ce HoMS/Ag的合成、抗菌活性及ROS清除机制

研究以碳质微球（CMS）为模板，通过水热吸附Ce³⁺并经高温煅烧去除模板，获得CeO₂ HoMS；随后引入AgNPs，构筑Ce HoMS/Ag复合纳米平台。在糖尿病感染伤口微环境中，缓释Ag⁺可破坏细菌细胞膜，保留的SOD/CAT样活性则持续清除ROS、缓解氧化应激，两者协同促进伤口修复与组织再生。

图1  Ce HoMS/Ag的表征

TEM结果显示，CeO₂ HoMS 呈典型三壳层中空结构，AgNPs可均匀负载于壳层表面，并随Ag负载量增加而逐渐提高负载密度。Zeta电位和红外光谱表明，AgNPs可通过静电作用和柠檬酸桥联作用与CeO₂表面结合。EPR、Raman和XPS进一步证明，Ag负载会诱导氧空位浓度发生“先降后升”的非线性变化，为选择性调控纳米酶活性提供了结构依据。

图2  Ce HoMS/Ag纳米酶性能表征

与CeO₂ HoMS相比，Ce HoMS/Ag对TMB氧化的催化能力明显降低，说明其POD样活性受到选择性抑制；同时，在较低浓度下，Ce HoMS/Ag表现出更高SOD样活性，并保持良好CAT样活性。这种“抑制POD、保留并增强SOD/CAT”的活性组合，有利于减少过量·OH造成的组织损伤，同时维持ROS清除能力。

图3  通过涂布平板评估Ce HoMS/Ag的细菌杀灭率

通过细菌平板培养可以直观看到，Ce HoMS/Ag处理后菌落数量显著减少，说明该复合材料对细菌具有高效杀灭作用。该结果为其后续在感染伤口模型中的应用提供了体外抗菌依据。

图4  通过活/死荧光染色法评估Ce HoMS/Ag的细菌杀灭率

Ce HoMS/Ag 对MRSA和E. coli均表现出优异抗菌活性，效果优于PBS、CeO₂ HoMS和游离AgNPs组。值得注意的是，Ce HoMS/Ag在24 h内释放Ag⁺量低于游离AgNPs，但抗菌效果反而更强，说明其杀菌作用并非单纯依赖Ag⁺溶出，而是来自Ag⁺膜敏化与CeO₂ HoMS中POD样活性的协同。

图5  Ce HoMS/Ag的生物相容性及细胞内活性氧清除能力

在0–200 μg/mL浓度范围内，Ce HoMS/Ag对L929细胞未表现出明显毒性，活/死染色结果也显示其具有良好细胞相容性。在H₂O₂诱导的氧化应激模型中，Ce HoMS/Ag能够有效降低细胞内ROS水平，并表现出优异细胞保护效果。这主要归因于AgNPs与CeO₂ HoMS之间的界面协同促进 Ce³⁺/Ce⁴⁺循环，加速H₂O₂分解并清除超氧阴离子。。

图6  体内伤口愈合性能及生物相容性评价

在糖尿病小鼠感染伤口模型中，Ce HoMS/Ag组伤口闭合最快。第3天伤口组织细菌培养显示，Ce HoMS/Ag组细菌载量显著降低；第10天，Ce HoMS/Ag组伤口愈合率达到85.91%，高于PBS组（49.74%）、CeO₂ HoMS组（52.43%）和AgNPs组（71.19%）。此外，在50–400 μg/mL浓度范围内，Ce HoMS/Ag溶血率均低于5%，表明其具有良好血液相容性。

总结与展望

本研究以CeO₂ HoMS为结构平台，通过负载AgNPs实现对表面氧空位的非线性调控，进而选择性抑制POD样活性、保留并增强SOD/CAT样活性，成功构建了兼具抗菌与抗氧化功能的纳米治疗体系。

该工作的重要意义在于，它并非简单叠加“银抗菌”和“CeO₂抗氧化”两种功能，而是通过中空多壳层结构与界面缺陷调控，将Ag⁺缓释、氧空位调节、类酶活性选择性调控和感染微环境治疗有机联系起来。Ce HoMS/Ag在体外抗菌、细胞ROS清除以及糖尿病小鼠感染伤口愈合实验中均表现出良好效果，为面向复杂病理微环境的多功能纳米酶设计提供了新的材料化学范式。

文献信息

Oxygen Vacancies Regulation in Ag-decorated CeO2 Hollow Multishelled Structure for Bacterial Elimination and Oxidative Stress Alleviation.

Lingling Shang, Jinmiao Sun, Ludan Zhang, Decai Zhao,* Jing Xiong, Jiawei Wan, Yuguang Wang*, Dan Wang*

Mater. Chem. Front., 2026

DOI: 10.1039/D6QM00060F