一种自供给H2O2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料及其制备方法和应用

本发明涉及一种自供给h2o2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料及其制备方法和应用，属于无机纳米材料。

背景技术：

1、传统抗生素的滥用推动着抗生素耐药菌迅速增加，使抗生素药物药效降低甚至失效。因此，亟需发掘具有相同治疗效果的可替代抗生素的新药物。其中，诱导细菌活性氧自由基(ros)产生是抗生素治疗的一种关键因素(trends in microbiology 2017,25,456-66)。催化ros产生的纳米药物抗菌剂不仅避免了细菌耐药，还可以作为广谱抗菌剂有效损伤细菌蛋白和基因、消除gsh以及诱导细胞膜发生脂质过氧化等，因此基于ros产生的纳米药物是治疗细菌感染的理想候选药物(acs nano 2019,13,13965-84)。

2、然而，传统治疗方式中ros的产生有限，因此需要借助外源性的纳米材料来增强ros的产生。芬顿化学作为基于ros的纳米催化医学的核心，其通过铁离子与h2o2之间发生一系列复杂的化学反应，最终生成羟基自由基(·oh)毒性物种和高氧化态的铁物种。芬顿反应主要由两个步骤组成：

3、fe2++h2o2→fe3++·oh+oh-k＝40-80l(mol·s)-1  (1)

4、fe3++h2o2→fe2++ho2·+h+k＝9×10-7l(mol·s)-1  (2)

5、其中，步骤(1)中fe2+与h2o2反应速率很快，但在产生·oh的同时也会消耗芬顿试剂中的fe2+并生成高价态fe3+。而步骤(2)中fe3+借助h2o2再转变为fe2+的速率十分缓慢，因此铁离子由高价态转变为低价态成为芬顿催化循环过程的限速步(angew.chem.int.ed.2022,61,e202200480)，这也是导致大部分铁基纳米诊疗剂不能在生理环境中保持高效持久催化活性的原因之一。此外，作为反应底物，h2o2的浓度与含量也直接决定了芬顿反应产ros的效率和产量。感染部位虽然相对于正常组织有较高的h2o2(bioact.mater.2022,12,246-56)，但在芬顿催化的两个步骤中被快速消耗，导致仅依靠生理环境中h2o2设计的纳米芬顿催化剂难以发挥良好的实际效果且疗效持续时间短暂(small2021,17,2005473)。这两大关键问题的存在使其效率难以得到提升(monatsh.chem.2001,132,1477-1492)。因此，如何实现芬顿纳米催化剂在生理环境下的高效持久催化疗效是一个亟待解决的科学问题。

6、当前有一些学者设计了各种具有补充底物浓度以降低生理环境对芬顿性质限制的纳米材料试图解决铁基纳米芬顿剂所存在的难题。如huo等人制备了高比表面积的树枝状介孔二氧化硅作为药物载体共同负载葡萄糖氧化酶(god)和fe3o4纳米颗粒用于驱动葡萄糖消耗的级联反应(small 2019,15,903746)。fan等人通过基因工程技术改造出可以产h2o2的非致病性大肠杆菌，然后在工程菌表面修饰fe3o4，靶向到肿瘤组织后，能够利用自产的h2o2和负载的fe3o4发生芬顿反应(adv.mater.2019,31,1808278)。

7、虽然这些研究在一定程度上解决了内源性h2o2不足的问题，但是fe3+在生理环境中转变为fe2+的低速率仍然极大地限制了化学动力学疗法(cdt)纳米催化剂的设计和生物医学应用。目前还没有关于通过自供给产h2o2同时自催化增强铁基芬顿cdt催化性能和抗菌活性的报道。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种自供给h2o2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料及其制备方法和应用，可以突破铁芬顿反应的限速瓶颈，显著增强其产生羟基自由基的效率和产量从而加速细菌死亡，并且可在降低抗生素等临床药物所带来的生物毒性的同时大大增强细菌感染的治疗效果。这种自供给h2o2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料在抗菌药物的选择性释放和顽固性抗感染的应用中具有很好的应用前景。

2、第一方面，本发明提供一种自供给h2o2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料。所述自供给h2o2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料包括作为载体的具有可还原三价铁的非金属元素的二维铁基纳米片以及负载于所述二维铁基纳米片表面的响应感染微环境生成过氧化氢的纳米材料。

3、较佳地，所述二维铁基纳米片是fese2纳米片，所述响应感染微环境生成过氧化氢的纳米材料是过氧化钙纳米(cao2)颗粒。这种复合无机纳米材料在特性上主要是通过se更低的电负性以及更高的导电性，在与金属共价结合时，电子偏向于金属位点，因此可以增加金属中心的反应活性，使得低价态的se2-及时地与fe3+发生氧化还原反应，从而不断的重生fe2+用来维持芬顿反应的高活性，快速产生·oh。此外，结构上含有过氧键(–o–o–)的cao2可在酸性条件下与h2o发生反应，释放大量的h2o2(0.47g g-1cao2)，这使得cao2可以上调芬顿反应中感染部位的h2o2水平。这种自供给提升反应物浓度，同时解决芬顿催化反应过程限速步骤的复合无机纳米材料，是一种具有感染特异性响应且高效持久的cdt纳米催化剂。一些技术方案中，fese2纳米片和过氧化钙纳米颗粒的质量比为5：1～2：3。

4、较佳地，所述fese2纳米片为片层结构，优选地，片层尺寸为50-400nm；所述过氧化钙纳米颗粒的直径为5-15nm。

5、较佳地，所述二维铁基纳米片是表面修饰氨基的二维铁基纳米片。

6、较佳地，自供给h2o2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料有效响应感染微环境产生大量ros；优选地，所述微环境为低ph环境；更优选地，所述ros包括具有强细胞毒性的过氧化氢自由基和羟基自由基。

7、第二方面，本发明提供上述任一项所述的自供给h2o2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料的制备方法。所述制备方法是将响应感染微环境生成过氧化氢的纳米材料通过静电吸附负载在作为载体的具有可还原三价铁的非金属元素的二维铁基纳米片的表面而形成自供给h2o2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料。

8、较佳地，将二维铁基纳米片和响应感染微环境生成过氧化氢的纳米材料分散在溶剂中，经过静电吸附使二维铁基纳米片和响应感染微环境生成过氧化氢的纳米材料充分结合，收集固体产物并干燥得到所述自供给h2o2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料；优选地，所述溶剂为水、乙醇、磷酸盐缓冲液和生理盐水中的至少一种。

9、较佳地，所述制备方法包括：首先将二维铁基纳米片进行硅烷化反应使得二维铁基纳米片具有与响应感染微环境生成过氧化氢的纳米材料相反的电位，然后将响应感染微环境生成过氧化氢的纳米材料通过静电吸附负载在作为载体的硅烷化二维铁基纳米片的表面而形成自供给h2o2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料。

10、较佳地，将二维铁基纳米片分散在溶剂中，随后加入硅烷偶联剂并混合均匀，离心收集硅烷化二维铁基纳米片；然后将硅烷化二维铁基纳米片继续分散在溶剂中并加入响应感染微环境生成过氧化氢的纳米材料，经过静电吸附使硅烷化二维铁基纳米片和响应感染微环境生成过氧化氢的纳米材料充分结合，收集固体产物并干燥得到所述自供给h2o2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料；优选地，所述溶剂独立地选自水、乙醇、磷酸盐缓冲液和生理盐水中的至少一种。

11、第三方面，本发明提供上述任一项所述的自供给h2o2协同自催化增强芬顿反应的复合无机纳米材料在制备抗菌剂中的应用。由于所述复合无机纳米材料可以在感染微环境的酸性ph下自发地启动铁芬顿，因此能够应用于高效杀菌抗感染。

12、有益效果：

13、本发明提出一种新的自供给同时自催化增强铁芬顿的理念，利用自供给产h2o2将二维纳米材料的高比表面积和自催化增强铁芬顿催化相结合，从纳米片元素之间氧化还原的相互作用角度阐明了自催化对铁芬顿反应活性的关系并得到了实验验证，成功实现自供给产h2o2同时自催化增强芬顿反应的纳米催化抗感染。