《Advanced Materials》: 电场动态调控纳米酶的活性

纳米酶是一类具有类酶催化活性的纳米材料，因其高稳定性、成本效益和可理性设计性，正逐渐成为天然酶的有力替代品。在生物医学领域，纳米酶展现出巨大潜力，已广泛应用于组织修复、肿瘤治疗、细菌抑制以及生物传感等领域。然而，当前催化治疗正经历从被动响应向主动精准治疗的范式转变。传统纳米酶的临床转化受限于其不可预测的被动机制。一旦纳米酶被引入生理环境，其催化行为很大程度上受被动扩散和局部底物浓度控制，导致性能难以调控。这种不受控的催化可能因活性不足导致治疗失败，或因过度催化损伤健康组织。因此，开发纳米酶活性的动态调控策略以实现按需精准治疗具有重大意义。

受高效天然酶静电预组织理论的启发，来自清华大学的李舟团队对电场调控纳米酶进行了系统综述。相较于传统物理刺激手段，该方法为主动精准治疗提供了可调控且互补的理论框架。多样化的电输入模式为在不同生物医学场景中精准调控纳米酶催化作用提供了适应性驱动力。进一步地，在原子尺度上阐明了内在机制，揭示了电场输入如何通过优化d带中心、表面电荷、能带结构和活性位点，促进底物吸附并降低反应能垒，从而增强催化效果。为**化电场-纳米酶耦合效应，本文提炼了构建完整电荷路径的设计原则：优化本征场响应性、实现定向电荷整流、达成低损耗传输。随后总结了电场调控纳米酶在精准治疗中的应用，包括按需时空激活、定量给药调控以及主动微环境重塑。最后，本综述强调了跨学科整合在突破该调控策略的生物安全性与机制瓶颈方面的巨大潜力。本文为推进电场调控纳米酶迈向精准治疗提供了全新视角。相关工作以题为“Electric Field-Empowered Nanozymes: From Passive Adaptation to Active Precision Therapy”的综述文章发表在2026年07月21日的期刊《Advanced Materials》。

【内容】

迄今为止，尚无综述全面探讨电场调控纳米酶的相关机制。本文对该领域进行了详细论述，涵盖电场的输入模式、调控机制、治疗应用及材料设计策略（图1）。具体而言，本文首先阐明了用于调控纳米酶的各种电场源的独特特性及其能量产生机制。接着，本文探究了电场对纳米酶电子结构（如d带中心、表面电荷、活性位点和能带结构）的影响，以及这些效应如何进一步作用于催化过程（底物吸附与反应势垒），从而在原子尺度揭示调控机理。此外，本文论证了电场如何使纳米酶突破传统疗法的局限，在空间和时间尺度上实现精准定量治疗，并促进复杂病理微环境的重塑。在此基础上，本文概述了旨在增强电场与纳米酶协同耦合的材料设计策略。最后，深入分析了电场调控纳米酶当前面临的挑战与前景，强调了生物安全性权衡、机制不透明性以及深层组织递送等方面的瓶颈，并提出了跨学科转化的未来展望。综上所述，本文有助于深化对电场如何调控纳米酶的理解，并为开发面向精准治疗的下一代靶向纳米药物开辟了新的可能性。

图1 电场调控纳米酶的示意图

【电场调控纳米酶】

为充分利用电场的调控作用，必须将电刺激精准施加于纳米酶的接触界面。目前已采用多种电输入模式来调控纳米酶。电场的具体形式决定了其相互作用机制、能量传输效率及实际应用范围。本章系统探讨了驱动纳米酶活性的四种基本电场源：外部直流电场、超声介导的压电场、热释电场以及自供电摩擦电场（图2）。这些模式涵盖从直接有线连接到复杂的无线能量收集系统。为区分不同电场输入的调控机制及应用范围，本文依据电场的来源及输入模式对电场调控纳米酶进行了分类。该分类强调了这些系统在能源、材料要求、调控参数及催化途径等方面的差异。

图2 用于调控纳米酶的不同电场源示意图

【直接外加电场】

直流电（DC）和交流电（AC）是外部电场输入的两种基本模式，具有不同的工作机制和应用场景。通过施加恒定电位，直流电场为催化体系提供持续且定向的驱动力（图3A）。通过操纵直流电场的方向，可以调控纳米酶的催化活性。

图3 直接外部电场在纳米酶调控中的应用

【超声介导的压电场】

超声介导压电场的主要优势在于其非侵入性和深层组织穿透能力。这些特性极大拓展了纳米酶介导治疗的应用范围。此外，由于无需植入电极，可有效避免感染风险和生物相容性问题。Peng等人开发了一种钌掺杂的Bi₄O₅Br₂纳米片系统，用于超声触发治疗。在超声暴露下，由于压电场的增强，导带位置得到优化，从而提升了还原能力。产生的电子被氧空位（Ov）捕获，并迅速转移到吸附在Ru位点上的O₂上。这一过程显著增强了类过氧化物酶（POD）活性，导致•OH和¹O₂的强劲生成，有效促进了深层细菌脓肿和生物膜的清除（图4A）。

图4 纳米酶调控中的电场模式

【电场调控纳米酶的机制】

简而言之，外加电场可以调控d带中心的位置，进而改变金属d轨道与吸附物质p轨道之间的杂化程度。关键中间体的吸附特性将被调整至热力学**状态。例如，研究人员利用自驱动摩擦纳米发电机（TENG）激发铜单原子纳米酶（Cu-NC）。在施加20 V电场后，电子云重新分布，费米能级附近的电子密度显著增加，d带中心从−3.414 eV上移至−3.375 eV。这种电子结构调控增强了铜d轨道与底物（H₂O₂）p轨道之间的轨道重叠，使H₂O₂的吸附能垒从0.38 eV有效降低至0.1 eV。该调控机制提升了催化动力学和治疗效果，肿瘤抑制率从14.8%提升至63.4%（图5A）。

图5 通过电场调控纳米酶电子结构

【催化过程的调控】

在一项利用Fe₃O₄@ZIF-8@Ag纳米复合材料的研究中，施加–0.5 V直流电压后，目标分子啶虫脒（AAP）的吸附速率显著加快，吸附效率提升了8.6倍。密度泛函理论（DFT）计算揭示了其微观机制：外加电场增强了AAP分子与ZIF-8配体之间的范德华相互作用，同时形成了更多结合位点（图6A）。计算结果表明，电驱动吸附的吉布斯自由能达到–16.52 kcal mol⁻¹，比静态吸附的–13.58 kcal mol⁻¹更负，证实了热力学驱动力的增强。

图6 通过电场调控纳米酶催化过程

【增强电场-纳米酶相互作用的材料策略】

晶体缺陷，尤其是空位，被视为电催化中的关键功能组分。在电场调控作用下，它们发挥着三重作用：缩小带隙以促进激发、作为电荷陷阱抑制载流子复合，以及为底物活化提供不饱和配位位点。Chen等人通过将氧空位（Ov）引入SBN晶格，并将其与SNO耦合形成异质结，实现了压电催化性能的显著提升。引入Ov后，带隙显著缩小，电场促进了电子从价带向导带的激发。至关重要的是，Ov作为深层陷阱，能够有效锁定电子，使其处于分离状态，从而延长其寿命（图7A-i）。此外，这种材料设计增强了底物的活化能力。Ov位点处的高局域电子密度促进了电子向吸附态O₂的转移，从而高效生成•O₂⁻。实验结果证实，SBN/SNO-Ov体系中单线态氧（¹O₂）的产量是原始SBN的7.4倍（图7A-ii）。类似地，通过氢化还原法引入Ov合成了黑色BaTiO₃（B-BTO），导致Ti³⁺的形成以及带隙的减小（从2.81 eV降至1.9 eV）（图7B-ii）。在超声诱导的电场作用下，Ov促进了电荷向表面的传输，并降低了驱动氧化还原反应所需的电势阈值。

图7 用于增强纳米酶-电场耦合的缺陷工程材料策略

【定向电荷分离的整流界面工程】

当两种具有不同费米能级的半导体相互接触时，会引发电子转移和费米能级对齐。这一过程导致界面处能带弯曲，并形成空间电荷区，从而产生内建电场。当该电场方向与外部机械或热刺激诱发的极化电场方向一致时，会产生叠加效应，形成更强的驱动力。Wei等人利用锌卟啉（ZnTCPP）与中空钛酸钡（hBT）构建了异质结。费米能级差异诱导了从ZnTCPP指向hBT的界面内建电场（IEF）。超声激发产生交变电场，其方向周期性地与IEF对齐，从而产生协同增强效应。当超声诱导电场与IEF方向一致（ZnTCPP→hBT）时，叠加后的强电场驱动了hBT上电子与ZnTCPP上空穴的反应。这一驱动力引导最强的氧化还原载流子参与催化过程。反之，当电场方向相反时，反应路径转变为II型异质结，这有利于•OH和（图8A）的生成。

图8 用于增强纳米酶-电场耦合的界面工程材料策略

【电场驱动纳米酶用于精准治疗】

这种精准的时空控制在先前的研究中已有验证。Chen等人开发了一种由电场激活和肿瘤微环境（TME）双重输入调控的逻辑门纳米平台，显著提升了治疗安全性。具体而言，MnO₂作为电屏蔽模块，可被细胞内高水平的谷胱甘肽（GSH）解锁。当MnO₂降解后，暴露出的Pt纳米酶在电场作用下高效催化生成•OH。严格遵循"与"逻辑门机制，治疗激活被限定在GSH介导的MnO₂解屏蔽与外部电刺激同时发生的场景中（图9A-i）。电场调控的作用通过一套相对完整的对照实验得到验证。在细胞层面，单独使用AC或HMPD仅引起有限的细胞毒性，而HMPD+AC显著增加了ROS水平、线粒体功能障碍、caspase-1激活、GSDMD裂解以及焦亡细胞因子的释放。在体内实验中，单独使用AC或HMPD表现出较弱的肿瘤抑制作用，而HMPD+AC则产生了最强的抗肿瘤效果（图9A-ii）。这些对照实验表明，电刺激发挥着催化触发器的作用，而非非特异性的治疗输入。

图9 通过电场调控纳米酶实现时空治疗

这种对治疗输入的可编程和定量调控，为解决感染伤口愈合中不同阶段的需求提供了一种有前景的策略。Wang等人报道了一种超声响应的压电微纤维系统，该技术为阶段适应性和参数可编程的催化治疗提供了明确范例。掺锂的ZnO/PLLA微纤维将超声转化为声动力ROS生成和局部压电刺激。电输出可通过超声强度的变化进行定量调控，输出电压随超声强度和纳米棒含量的增加几乎呈线性增长。这种参数-输出关系进一步转化为分阶段治疗方案。（图10A-i）在感染阶段，强超声刺激（1.5 W cm⁻²，15分钟）激活了声动力抗菌活性，对金黄色葡萄球菌的杀灭效率从约38.4%提升至94.2%（图10A-ii）。在后续的修复阶段，温和超声刺激（0.3 W cm⁻²，1分钟）为细胞募集、钙离子内流、神经发生和血管生成提供了电信号，同时避免了过度的氧化应激。在体内实验中，ZnLiPOI+US组在第12天实现了约99.0%的伤口闭合率，第6天抗菌效率达到89.9%，与商业化的Atrauman Ag敷料效果相当。

图10 通过电场调控纳米酶实现定量治疗

【总结与展望】

总之，电场调控的纳米酶正处于纳米材料、电催化与精准医学的交汇点，需要跨学科协作才能充分发挥其潜力。通过将外部物理调控与内在酶活性相结合，这类治疗平台将推动从被动适应向主动干预的转变，为复杂疾病提供精准、可控且智能化的解决方案。这些进展有望推动催化纳米医学领域的变革性突破，弥合实验创新与临床转化之间的鸿沟。最终，这一策略将实现从被动适应环境到主动、可编程且精准治疗的范式转变。

参考资料：

https://doi.org/10.1002/adma.74153