一种集成SOD/CAT的生物催化剂及其制备方法和用途

本发明涉及一种集成sod/cat的生物催化剂及其制备方法和用途，属于生物催化材料领域。

背景技术：

1、牙周炎是一种慢性炎症性疾病，作为最常见的口腔疾病之一在全世界的发病率超过40%。牙周炎被认为是牙齿脱落的主要原因，也与一些系统疾病如动脉粥样硬化和糖尿病有关。目前，临床牙周治疗的主要策略是防止疾病的发展，包括机械清洁、抗生素和抗炎药物以及牙周手术。然而，牙周组织结构的重建很难实现，因为持续暴露在口腔细菌环境中，局部炎症很难消除。因此，牙周治疗需要有非侵入性的、副作用最小的有效替代方法。

2、在整个炎症性牙周组织破坏过程中，龈下菌斑中的细菌导致免疫细胞（主要是多形核中性粒细胞）的招募。虽然这些 "过度活跃 "的免疫细胞最初是为了防御细菌病原体，但其会过度产生活性氧（ros）并导致病理变化。ros是一类自由基（尤其是o2-、h2o2和oh-），来源于线粒体的呼吸爆发，过量的ros和抗氧化防御系统之间的不平衡导致了氧化应激。ros造成的直接组织损伤主要是通过脂质过氧化作用，但也会对蛋白质和dna造成损伤。此外，ros介导许多生理和病理信号转导，从而促进炎症和破骨细胞的形成。ros引发的炎症环境将抑制成骨标志物的表达，如骨形态发生蛋白-2（bmp-2）、runt相关转录因子2（runx2）和干细胞的碱性磷酸酶（alp）。此外，ros促进rankl诱导的破骨细胞生成将打破骨形成和骨吸收之间的平衡关系。因此，ros会引发促炎症并导致骨质流失，这与牙周炎患者的临床症状一致。据此，调节局部微环境中的ros，以保护干细胞和成骨细胞免受氧化应激损伤，并增强其成骨能力，对于牙周炎的再生治疗至关重要。

3、有效的ros清除可以改变局部微环境，并抑制炎症条件下的病理进展。各种基于天然酶、纳米酶和抗氧化剂的抗氧化防御策略已经被开发出来，以维持细胞内的氧化还原平衡。生物系统中的天然酶，如超氧化物歧化酶（sod）和过氧化氢酶（cat）在消除ros方面发挥了出色表现。sod和cat的封闭式级联反应比传统的多步骤反应更有优势，它将多种酶封闭在亚细胞器内，以确保级联信号的放大和有效代谢。它始于sod将-o2-转化为h2o2（通常在线粒体或细胞膜），然后由cat将h2o2转化为水和o2（通常在过氧体）。然而，这种天然系统的效率受限于sod和cat之间的额外运输步骤，因为它们不在同一个亚细胞器内。此外，天然酶受限于众多自身缺陷，如高成本、低稳定性和潜在的免疫原性。为了解决这些限制，人工生物催化剂的需求急剧增加。虽然大多数纳米酶需要相互不兼容的反应条件，并且通常只表现出一种或两种抗氧化酶的活性。受生物体内级联催化反应系统的启发，我们在此报告了一种具有高整体活性的单组分级联纳米酶，并首次证明其在牙周炎疾病中的高效清除ros能力。

4、在促进干细胞和成骨细胞的再生方面，钴基生物材料对血管的形成有积极作用，通过激活缺氧诱导因子1-α（hif-1a）途径和上调血管内皮生长因子（vegf），使成骨和血管生成耦合在一起。据报道，钴与生物活性玻璃、羟基磷灰石、bmp-2和干细胞相结合，可发挥卓越的成骨活性。由于价格低廉且易于操作，钴基生物材料作为一种有前途的替代物在骨再生领域受到关注。

技术实现思路

1、针对上述缺陷，本发明通过铱盐、钴盐、尿素和nh4f发生沉淀反应，制备得到coo-ir催化剂，所述coo-ir催化剂为ir团簇均匀地分布在coo基材上的成簇支链状球体，所述催化剂具有ir-o键。coo-ir在sod和cat类活性方面都表现出更高的效率，集成了sod/cat的活性。进一步的，coo-ir协同增强的清除ros活性，保护了骨髓间质干细胞（bmscs）和成骨前体细胞（mc3t3-e1）免受ros攻击，并促进了体外成骨分化。此外，coo-ir在体内表现出优秀的牙周炎分步治疗效果，通过早期清除ros发挥抗炎作用及后期促成骨实现组织再生。

2、本发明的技术方案

3、本发明要解决的第一个技术问题是提供一种集成sod/cat的生物催化剂，所述催化剂为ir团簇均匀分布在coo基材上形成的催化剂，所述催化剂具有ir-o键。

4、进一步，所述催化剂为晶体结构。

5、进一步，所述催化剂具有sod、cat活性。

6、进一步，所述催化剂还具备清除ros的活性。

7、本发明要解决的第二个技术问题是提供上述生物催化剂的制备方法，所述制备方法为：将铱盐、钴盐、尿素和nh4f经过共沉淀反应，再煅烧制得所述催化剂。

8、进一步，所述铱盐选自氯化铱、乙酰丙酮铱中的至少一种；所述钴盐选自硝酸钴、乙酸钴、氯化钴中的至少一种。

9、进一步的，所述铱盐优选为氯化铱，钴盐优选硝酸钴。

10、进一步，上述制备方法中，尿素作为矿化剂，为整个反应提供碱源。尿素高温高压反应下产生铵和碳酸根，铵提供碱性环境使得铱钴沉淀生成氢氧化物，碳酸根作为插层阴离子,从而通过一步反应制备得到铱/钴-碳酸盐氢氧化物。

11、进一步，上述制备方法中，nh4f为络合剂,是整个水热反应的稳定剂，有利于产物的结晶。

12、进一步，上述制备方法中，原料的配比为，钴盐:铱盐:nh4f:尿素的摩尔比为5~20:0.5~2:15~60:25~100，优选为10:1:30:50。

13、进一步，所述共沉淀反应的条件为：铱盐、钴盐、尿素和nh4f分散到水中，搅拌，并在110~130℃（优选120℃）的下反应7~10h，(优选8h)，冷却，离心，洗涤。

14、进一步，所述煅烧条件为：在氮气或惰性气氛中，在350~ 450℃(优选450℃)、加热速率为2 ~5°c min−1(优选2°c min−1)的条件下煅烧2~3 h (优选2h)，得到催化剂。

15、进一步，所述惰性气氛为氦、氖、氩、氪、氙、氡中的至少一种。

16、本发明要解决的第三个技术问题是提供所述集成sod/cat的生物催化剂在清除ros方面的用途。

17、本发明要解决的第四个技术问题是提供所述集成sod/cat的生物催化剂在制备治疗炎症性疾病药物中的用途。

18、进一步，所述炎性疾病是指急性骨髓炎、颅骨缺损、骨折、骨关节炎等骨科炎症性疾病，和/或牙周炎、动脉粥样硬化、急性肾损伤、急性肝损伤、心肌缺血的再灌注损伤等其他炎症性疾病。

19、本发明要解决的第五个技术问题是提供所述集成sod/cat的生物催化剂在细胞保护和促进细胞分化中的用途，其中，所述细胞为干细胞及分化细胞。干细胞和前体细胞都具有进一步分化成某种特定组织细胞的潜能，本发明所述集成sod/cat的生物催化剂可以保证干细胞及前体细胞在细胞分化过程中免受炎症的刺激，同时还可以促进细胞分化。

20、进一步，所述干细胞为骨髓来源、脐带来源或脂肪来源的间充质干细胞，分化细胞为成骨前体细胞、内皮前体细胞或神经前体细胞。

21、本发明的有益效果

22、本发明生物催化剂集成了sod/cat活性，在单体系中实现了优异的ros级联清除活性。在保护干细胞和前体细胞的同时，促进干细胞和前体细胞的分化。本发明生物催化剂通过早期抗炎及晚期成骨实现了良好的牙周炎分步治疗，为炎症性疾病提供了一种有效的新途径。