近日，第三批全国高校“百个研究生样板党支部”、南京邮电大学材料科学与工程学院博士生党支部郭智鹏同志巧妙设计并制备了一种一端开口的不对称蛋黄-壳（yolk-shell）结构的单原子铜锚定在氮化碳上的微米机器人（Y-CuSA/CN），并用于增强对细菌生物膜的穿透和根除。相关成果以“One-End-Opened Yolk-Shell Copper Single-Atom Microrobots for Enhanced Penetration and Eradication of Bacterial Biofilms”为题发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials。

图为郭智鹏同志在开展科学研究

长期以来，细菌生物膜感染长期威胁人类健康，其形成的胞外聚合物（EPS）屏障由蛋白质、DNA等成分构成，EPS提供营养并保护细菌免受宿主免疫反应的影响。这种保护机制严重阻碍抗生素渗透，导致抗生素滥用和耐药性危机，尤以MRSA为代表的“超级细菌”问题最为突出。因此，在后抗生素时代，探索新型的非抗生素替代疗法来对抗细菌感染和抑制生物膜形成已变得刻不容缓。

近年来，单原子催化剂（SACs）在抗细菌感染治疗领域展现出独特优势。其类酶特性源于最大化的原子利用率与可调控的电子结构，能够高效催化O₂/H₂O₂转化为超氧自由基（·O₂⁻）、羟基自由基（·OH）及单线态氧（¹O₂）等高活性氧物种（ROS），通过氧化应激机制精准诱导细菌凋亡并破坏生物膜结构。然而，现有SACs依赖被动扩散递送，受限于生物膜致密屏障的物理阻隔与化学抗性，导致感染部位有效浓度不足。与此同时，具有自主运动能力的微米机器人虽可通过光/磁/化学能驱动实现主动靶向，但其与原子级催化活性位点的协同机制研究亟待探索，尤其是SACs催化H₂O₂分解驱动自主运动，并同步生成ROS的级联反应路径尚未明晰。

基于此，郭智鹏同志制备的Y-CuSA/CN微米机器人为解决这一难题提供了新的思路和方法。Y-CuSA/CN微米机器人通过其内外表面的单原子基类芬顿反应和光催化氧化还原反应产生H₂O₂浓度梯度，从而实现单原子驱动的扩散泳动和光驱动的扩散泳动。在铜单原子和UV-LED光（365 nm）的协同驱动下，Y-CuSA/CN微米机器人展现出强大的自主运动能力，其运动速度达到17.2 μm/s，扩散速度达到7.2 μm²/s，显著增强了对细菌生物膜的穿透力。在自主运动过程中，Y-CuSA/CN微米机器人内外表面的催化氧化反应释放出多种ROS（包括·O₂⁻、·OH和¹O₂），有效地根除了MRSA细菌生物膜。体外和体内实验均证实，在UV-LED光照射下，可运动的Y-CuSA/CN微米机器人能够高效消除MRSA生物膜。另外，Y-CuSA/CN微米机器人还通过减轻炎症反应、促进细胞迁移和新生血管形成来促进伤口愈合。这项研究成果凸显了SACs微米机器人在根除MRSA细菌生物膜和促进慢性感染伤口愈合方面的应用价值，同时也推动了用于临床应用的治疗性纳米材料的发展。

图1 Y-CuSA/CN微米机器人增强细菌生物膜渗透和根除的示意图

图2 Y-CuSA/CN微米机器人形貌结构表征

图3 Y-CuSA/CN微米机器人用于小鼠体内菌膜根除能力及伤口愈合评估

全文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202503970

郭智鹏，男，南京邮电大学材料科学与工程学院光电信息材料与器件专业2022级博士研究生，现任博士生党支部副书记。研究生期间荣获国家奖学金、一等学业奖学金、第三届全国大学生低碳循环科技创新大赛二等奖、2024年南京邮电大学第二届研究生“德育之星”、南京邮电大学第26届大学生科技节“科技节标兵”、2022年江苏省研究生“凝聚态物理前沿”学术创新论坛二等奖等二十余奖项和荣誉；以第一作者/通讯作者身份在Advanced Functional Materials、Journal of Hazardous Materials、Chemical Engineering Journal、Separation and Purification Technology、Chemical Communications以及Journal of Industrial and Engineering Chemistry国际期刊发表学术论文6篇，合作发表SCI论文8篇，授权发明专利2项，主持江苏省研究生创新计划项目一项。

撰稿：郭智鹏

审核：吕蔷蔷