纳米酶技术在伤口愈合中的应用进展

内蒙古民族大学，内蒙古通辽 028000

摘要：【摘要】纳米酶既有纳米材料的性能，又具有类天然酶的催化作用，在生物医学领域有着巨大发展潜力，在促进伤口愈合的研究中也取得一定进展。本文从定义、内涵、材料、类型四个方面对纳米酶进行介绍，并汇总近年关于纳米酶技术促进伤口愈合的相关文献，阐述纳米酶技术促伤...

关键词：

纳米酶技术；抗菌；抗感染；伤口愈合

出处：

《医学食疗与健康》2024年09期

DOI：
10.13738/j.cnki.acc.qklw60536
专辑：
科学Ⅰ辑;信息科技
专题：
信息、科学;综合科技
分类号：
G90;N92

【摘要】纳米酶既有纳米材料的性能，又具有类天然酶的催化作用，在生物医学领域有着巨大发展潜力，在促进伤口愈合的研究中也取得一定进展。本文从定义、内涵、材料、类型四个方面对纳米酶进行介绍，并汇总近年关于纳米酶技术促进伤口愈合的相关文献，阐述纳米酶技术促伤口愈合的机制，分析纳米酶技术在糖尿病伤口、烧伤感染伤口及脓肿伤口中的应用情况。

【关键词】纳米酶技术；抗菌；抗感染；伤口愈合

伤口是外界作用或疾病等因素导致的人体开放性组织撕裂与损害，在日常生活与临床中均十分常见。小的伤口可以自愈，但严重伤口（面积大、缺损明显）、病理性伤口（如褥疮、糖尿病足等）及部分存在特殊情况的伤口（如合并脂肪液化、糖尿病等）愈合困难，通常需要临床干预治疗[1]。纳米酶由我国科学家阎锡蕴及其团队于2007年首次发现，此后十余年间纳米酶技术受到广泛关注与研究，得到快速发展，2022年被列入化学领域十大新兴技术[2]。目前，纳米酶技术在医学领域得到广泛应用，关于促进伤口愈合的研究也取得了一定进展，现对此进行报道：

1纳米酶的定义与内涵

纳米酶是利用有机化学方法合成的兼具纳米材料独特性能与类天然酶生理条件下催化作用的模拟酶[3]。其中，纳米材料是三维空间（长-宽-高）中至少一维是纳米尺寸或以纳米结构单位为基础构成的材料，具有量子尺寸效应、表面与界面效应、宏观量子隧道效应等多种理化性质，但自身不具备生物效应，一般被认为是无机的惰性物质。酶是一种具有催化作用的特殊蛋白质，通过“加法”在金属、金属氧化物、碳材料等纳米粒子表面修饰催化基团酶，即成为了具有生物效应的纳米酶，可以通过纳米材料的理化作用实现高效催化。

2纳米酶的材料与类型

2.1纳米酶的材料

纳米材料依据理化结构、合成方法、形状与功能等不同可以分为多种类型，其中有包括聚合物、金属基、卟啉、环糊精、炭基等在内的多种纳米材料已被开发研制成纳米酶。其中研究与应用最为广泛的是金属基纳米酶、碳基纳米酶和金属氧化物纳米酶，应用领域包括生物医学、化学传感、药物递送、免疫监测等。

（1）金属基纳米酶金属基纳米酶使用金属基作为催化剂，常用金属基包括金、银、铁、钴、镍等。它通常由金属纳米颗粒和酶分子组成，前者是载体和催化剂的活性中心，后者则提供特定的底物识别能力与催化反应功能。金属基纳米酶的优点：金属纳米颗粒的表面积大、活性位点多，反应速率快；金属基纳米材料表面携带大量电荷，电子特性卓越，通过调控金属表面电子结构与反应活性，一方面可以根据需求调节材料的理化性质，另一方面可以提高催化剂的选择性与稳定性[4]。近年，单原子纳米酶（SAN）在金属基纳米酶研究中引起广泛关注，该物质活性位点由独立的金属原子构成，均匀分散，暴露完全，易于识别，而且结构与配位环境良好，具有卓越的选择性与最大原子利用效率，内在催化活性强，应用前景广阔[5]。

（2）碳基纳米酶碳基纳米酶即将生物酶固定在碳基纳米材料上的复合材料，具有易于锈蚀、热稳定性高、生物相容性好的特点和优势。作为细胞外基质成分的物理类似物，碳基纳米酶被认为是用于开发潜在生物医学应用的理想纳米酶材料。根据现有研究，包括石墨烯、碳纳米管、碳纤维、碳球、金刚石、无定形碳等在内的多种碳原子同位异形体，由于碳材料表面基团与独特的电子结构，都具有类酶活性，可作为碳基纳米酶的炭基材料[6]。而且以碳基作为催化剂，借助碳基本身的功能化修饰，可以大大提高碳基纳米酶的催化活性。近年，关于基于碳基纳米酶的多元素掺杂改性报道较多，致力于合成方法与抗菌性能的优化。研究发现，碳基纳米酶光热转换效率高，光照热量可以增强碳基纳米酶材料的酶活性，同时热损伤对细菌也有杀伤作用，因此能够强化杀菌效果，具有无创光热治疗的潜力[7]，为伤口消毒及愈合研究提供了新途径。

（3）金属氧化物纳米酶此类纳米酶是将生物酶嵌入金属氧化物纳米颗粒中所形成的一种复合催化体，同样具有很高的催化效率，同时也具有理想的化学稳定性、生物相容性以及广泛的反应适应性。金属氧化物纳米酶多以过渡金属氧化物为主，目前应用较为广泛的是四氧化三铁（Fe3O4）纳米酶和氧化铈纳米酶，另有二氧化钛、四氧化三钴、二氧化锰（MnO2）、四氧化三锰（Mn3O4）等类型的纳米酶，类酶活性发挥的主要机制为芬顿反应与电荷转移[8]。

2.2纳米酶的类型

目前，纳米材料模拟天然催化剂的模拟类型包括氧化物酶（POD）、过氧化酶（OXD）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）等。其中，前3者是目前应用比较广泛的纳米酶其中。另有不少纳米材料可以同时模拟2种及以上天然酶活性，如Fe3O4纳米颗粒、Mn3O4纳米颗粒、布鲁氏蓝纳米颗粒等。

（1）POD POD多数是以原卟啉IX为辅基的血红素梅，能够以过氧化氢为受体催化多种反应，包括Fe3O4纳米颗粒等在内的多种纳米材料具有类POD性质。以铜（II）金属有机凝胶和三聚氰胺合成Cu-C3N4-550，该物质金属活性位点多，比表面积大，被赋予了优异的类POD活性，催化性能相比单独的C3N4提高了30多倍。

（2）OXD OXD是最主要的过氧化物酶体，约占全面酶总量的一半。OXD可以细分为尿酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶、L-氨基酸氧化酶等多种，虽然它们作用的底物不同，但在氧气条件下催化底物氧化反应的特征相同，催化活性优势明显。有学者以一步水热法合成了具有优秀类OXD活性的氮，再将纳米银颗粒添加到其氯共掺杂碳点中形成了一种OXD与抗菌活性强、生物相容性良好、毒性低的杀菌剂，促进了纳米酶在抗菌领域的发展。

（3）CAT CAT为酶类清除剂，以铁卟啉为辅基，能够将过氧化二氢分解成水与氧气。CAT纳米酶易于表面修饰，制备成本低，具有理想的稳定性与催化活性，用途广泛。各类形式的氧化铁纳米酶材料中，以铁氢化物的CAT活性最高，能够在4.0~8.7酸碱范围内持续分解过氧化二氢[9]。

3纳米酶促进伤口愈合的机制

伤口消毒与促伤口愈合是纳米酶研究与应用的领域之一。目前，基于纳米酶技术，以纳米酶材料制作水凝胶等医用敷料，用于处理各种类型的伤口，以抗感染、促愈合，已经取得一定研究成果。纳米酶促进伤口愈合的主要机制如下：

第一，纳米酶材料具有类酶催化活性，能够模拟多种类型的天然酶功能，催化过氧化氢分解，分解产生的具有强氧化性的中间产物，特别是高毒性的羟基自由基，可以杀灭伤口处的细菌，起到抗菌防感染的作用，为伤口愈合营造良好环境[10]。

第二，纳米酶可以通过调节活性氧水平来促进伤口愈合。皮肤损伤后，伤口微环境中会产生活性氧，这是机体正常的防御反应。但是，活性氧过量会造成氧化损伤，影响伤口愈合。而Mn3O4、铈基金属有机框架、铁蛋白等纳米酶材料具有清除活性氧的特性，能够降低细胞氧化应激水平，控制伤口中的氧化损伤，利于伤口的再生与愈合[11]。

第三，纳米酶具有抗炎作用。炎症因子的伤口愈合中扮演重要角色，组织受损后早期，炎症因子释放会招募免疫细胞到伤口部位，对抗局部感染，启动愈合过程。但是，伤口愈合过程中，炎症反应持续，炎症因子过度堆积则会抑制细胞增殖与组织修复。铁-多分类纳米酶具有调节免疫细胞的功能，可以在炎症环境中抑制巨噬细胞的M1型极化，促进巨噬细胞向M2型抗炎状态转变，从而减少促炎因子表达，上调抗炎因子表达，实现对炎症反应的双向调控，对促进伤口早期愈合有益[12]。

4纳米酶促进伤口愈合的应用

4.1纳米酶在糖尿病伤口中的应用

糖尿病足病程长、难治愈，截肢率与致死率高，是糖尿病常见且严重的并发症。使用壳聚糖修饰的银基纳米酶水凝胶制剂和抗生素阿米卡星来控制糖尿病足多耐药菌感染，从糖尿病足溃疡标本中分离提取耐药菌株，以糖尿病大鼠模型进行实验，壳聚糖修饰的银基纳米酶水凝胶制剂的促伤口愈合效果优于普通医用水凝胶。使用负载胰岛素的非离子型三嵌段共聚物醛胶束和包裹了ε-聚赖氨酸的MnO2纳米酶研制的一种注射用多功能水凝胶，除了抑菌之外，还可以通过胰岛素缓释调节血糖，并催化内源性过氧化氢分解，改善伤口缺氧微环境，在糖尿病伤口愈合方面拥有巨大应用前景。四川大学王娜等人受天然血红素催化活性中心结构启发，构建了一种具有类过氧化氢酶活性的、双金属的金属有机骨架化合物纳米酶，并将其与抗菌剂绿原酸锚定在壳聚糖水凝胶中，用于I型糖尿病小鼠感染伤口中加速了伤口愈合，与该产品逆转体内细菌感染、消除氧化应激、增加氧和作用有关[13]。

4.2纳米酶在烧伤伤口感染中的应用

烧伤患者受损的皮肤创面非常容易发生感染，与烧伤损害皮肤屏障、烧伤后免疫功能紊乱等因素有关。对于已经发生伤口感染的烧伤患者而言，有效控制感染是治疗的关键与重点。利用溶剂热合成法制备出的中性条件下拟过氧化物酶活性优异的三元铜钴硫化物纳米酶，具有广谱杀菌性，被正式用于酸碱度偏中性的烧伤伤口中能够加速伤口愈合。银纳米颗粒和银纳米团簇

2种银基纳米酶，两者材料相同，配体与还原剂比例不同，利用支化聚乙烯亚胺聚合物对两者进行结构修饰，增强了纳米颗粒与铜绿假单胞菌生物细胞膜外基质中淀粉样蛋白的相互作用，银纳米团簇进入细菌生物膜内部，通过产生活性氧与结构破坏的方式杀灭了细菌，银纳米颗粒仅阻碍了细菌生物膜形成，但未发挥杀菌效果，前者在防治烧伤伤口细菌感染方面更具前景。

4.3纳米酶在各种脓肿伤口中的应用

脓肿是急性感染引起局限性脓液积聚所产生的肿物，金黄色葡萄球菌是主要致病菌。该菌自带具有强抗氧化作用的葡萄球菌黄素，可以抵御免疫细胞分泌的活性氧，不易杀灭，使得脓肿的治疗较为棘手。皮下较大的脓肿，通常需要切开清创，有效控制感染，促进创面伤口愈合是治疗关键。使用光敏剂二氢卟吩e6修饰MnO2纳米酶，再通过聚乙二醇化，得到可以调节脓肿微环境的Ce6@MnO2-PEG纳米颗粒。该材料可以分解内源性过氧化氢，缓解脓肿局部低氧微环境，发挥抗菌效果。联合使用光动疗法，一方面可以增强制剂的杀菌效果，另一方面制剂经光处理后可以释放激活免疫系统、引发特异性免疫积极效应的细菌抗原，杀灭脓肿伤口细菌、促进伤口早期愈合的同时也能预防复发。Dong[14]等人制备了掺杂氮和磷、在宽酸碱范围内均具有类过氧化物酶活性的硫化镉纳米酶颗粒，经实验证实可以抑制金黄色葡萄球菌生长，对抗大肠杆菌也具有积极作用，为开发碳点纳米酶治疗脓肿伤口提供了新思路。