國家納米中心等提出篩選抗菌納米材料的集成方案

近日，中國科學院國家納米科學中心高興發課題組等在納米毒理化學的理論設計方向取得了新進展。相關研究成果以《抗菌納米藥物反向篩選的計算與實驗集成方案》（Integrated Computational and Experimental Framework for Inverse Screening of Candidate Antibacterial Nanomedicine）為題，發表在ACS Nano上。該成果在課題組提出的催化信號轉導理論的基礎上，發展出一套集成了科學計算與3D打印技術的方案，實現了在材料數據庫中高效地、準確地篩選出具有抗菌潛力的納米材料，并通過濕法實驗進行了驗證。

高興發課題組致力于納米毒理化學的基礎理論研究，發展了相關理論模型與計算機輔助方案，在少量實驗或無需實驗的條件下預測納米材料殺死有害細胞、保護正常細胞等生物醫學功能，以期縮短相關醫用納米材料的研究周期、節約研究成本。該研究基于納米材料通過表面催化作用活化H2O2，氧化細菌有機質，殺死細菌這一關鍵化學機制，利用此前提出的納米表面活化H2O2理論模型，預測納米材料的抗菌活性。同時，該研究利用前人提出的納米材料細胞毒性的定量構效關系（Nano-QSAR）模型，預測材料對正常細胞的安全性，發展了在Materials Project材料庫中高通量篩選合金納米粒子的計算方案。該方案同時考慮了材料活化H2O2的抗菌活性以及對正常細胞的安全性，從而能夠夠篩選出具有高效抗菌活性同時對正常細胞具有較低毒性的抗菌材料。進一步，研究掃描探針嵌段共聚物光刻技術制備出高度均勻的金屬/合金納米顆粒，并進行二次實驗篩選。計算和實驗篩選結果表明，AuCu3合金兼具高催化活性和安全性，是一種潛在的抗菌納米藥物。研究通過濕化學方法制備了AuCu3納米材料，并驗證了其對正常細胞的安全性和優良的抗菌活性，證明了集成篩選方案的可靠性。

該研究由國家納米中心、南京大學、湖南大學、南京林業大學合作完成。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和國家納米中心等的支持。相關計算機程序已取得國家版權局計算機軟件著作權登記認證。

篩選抗菌納米材料的“計算+實驗”集成方案。該方案發展了針對材料數據庫的計算機程序，實現了HO吸附能（Eads,OH）的高通量自動計算，利用Eads,OH預測合金納米材料活化H2O2的催化活性，利用元素共價半徑（Rc,mix）預測其細胞毒性，利用3D打印技術進行二次篩選，通過濕法化學進行實驗驗證，獲得了具有優異抗菌活性的合金納米材料。