近日，东北大学材料科学与工程学院王福会教授团队徐大可教授课题组在海洋生物污损与微生物腐蚀防护领域取得重要进展，相关成果以“Confinement-Enrichment-Driven Cascade Catalysis in a Self-Assembled Nanozyme Reactor for Synergistic Antibiofouling and Biocorrosion Inhibition”为题，发表于国际权威期刊Advanced Materials(10.1002/adma.74995)。学院博士生张馨、于滨副教授为共同第一作者，徐大可教授、于滨副教授与张明星教授为共同通讯作者，东北大学为第一完成单位。
海洋生物污损引发的微生物腐蚀是威胁海工设施长期安全运行的关键因素之一。针对传统涂料生态毒性高、易诱发耐药性，以及抗菌成分在生物膜内传质受限、活性物种易流失等共性难题，该团队创新性设计并构建了一种微环境响应型自组装CAGA纳米酶反应器。通过“底物富集-空间限域-级联放大”三步走的方式重塑生物膜界面的局部催化微环境，以实现原位、高效、低毒的抗生物膜干预。该体系以分支状铜-L-精氨酸（CA）为核心，强化界面底物传质与富集；引入葡萄糖构建高浓度限域微环境，以维持局部底物高浓度；并结合功能化透明质酸智能外壳，实现微环境响应激活。微环境变化可触发多酶级联催化，显著放大活性氧（ROS）与活性氮（RNS）生成。得益于空间限域效应，CAGA纳米酶反应器的RNS生成能力较非限域体系提升约1.76倍，从而有效提高了局部抗菌活性物种水平。密度泛函理论（DFT）计算与转录组学分析共同证实，铜活性位点可通过降低L-精氨酸氧化能垒促进一氧化氮（NO）及过氧亚硝酸盐（ONOO⁻）生成，并借助胞内氧化失衡与类铜死亡协同高效清除生物膜。实验结果表明，该CAGA纳米酶反应器具有优异的广谱、长效抗菌与生物膜清除能力，对4种典型细菌的抑制率均可达99.9%，且经90天浸泡后仍保持显著抑菌活性。对于更难清除的成熟生物膜，其清除率高达99.52%。进一步将CAGA纳米酶引入树脂涂层后，对生物膜黏附的抑制率达到95.24%，表明其催化抗污能力可有效延伸至实际涂层体系。同时，该体系还能显著抑制金属表面的微生物腐蚀，从而实现从广谱杀菌、生物膜清除到涂层防污与腐蚀防护的多层次性能提升。
该工作成功构建了一种集空间限域与级联催化于一体的纳米酶防护新体系，有效突破了生物膜内部催化动力学迟缓以及局部活性物种有效浓度不足的技术瓶颈，为绿色环保、智能响应型高效海洋工程防护涂层的设计与开发提供了新思路。以上工作获得了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金、中央高校基本科研业务费、辽宁省“兴辽英才计划”以及辽宁省科技计划联合计划项目的支持。
CAGA纳米酶反应器及其协同抗菌与生物膜瓦解机制示意图
