近日，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心高興發(fā)課題組等在納米毒理化學(xué)的理論設(shè)計(jì)方向取得了新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以《抗菌納米藥物反向篩選的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)集成方案》（Integrated Computational and Experimental Framework for Inverse Screening of Candidate Antibacterial Nanomedicine）為題，發(fā)表在ACS Nano上。該成果在課題組提出的催化信號轉(zhuǎn)導(dǎo)理論的基礎(chǔ)上，發(fā)展出一套集成了科學(xué)計(jì)算與3D打印技術(shù)的方案，實(shí)現(xiàn)了在材料數(shù)據(jù)庫中高效地、準(zhǔn)確地篩選出具有抗菌潛力的納米材料，并通過濕法實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

高興發(fā)課題組致力于納米毒理化學(xué)的基礎(chǔ)理論研究，發(fā)展了相關(guān)理論模型與計(jì)算機(jī)輔助方案，在少量實(shí)驗(yàn)或無需實(shí)驗(yàn)的條件下預(yù)測納米材料殺死有害細(xì)胞、保護(hù)正常細(xì)胞等生物醫(yī)學(xué)功能，以期縮短相關(guān)醫(yī)用納米材料的研究周期、節(jié)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(xì)菌有機(jī)質(zhì)，殺死細(xì)菌這一關(guān)鍵化學(xué)機(jī)制，利用此前提出的納米表面活化H2O2理論模型，預(yù)測納米材料的抗菌活性。同時(shí)，該研究利用前人提出的納米材料細(xì)胞毒性的定量構(gòu)效關(guān)系（Nano-QSAR）模型，預(yù)測材料對正常細(xì)胞的安全性，發(fā)展了在Materials Project材料庫中高通量篩選合金納米粒子的計(jì)算方案。該方案同時(shí)考慮了材料活化H2O2的抗菌活性以及對正常細(xì)胞的安全性，從而能夠夠篩選出具有高效抗菌活性同時(shí)對正常細(xì)胞具有較低毒性的抗菌材料。進(jìn)一步，研究掃描探針嵌段共聚物光刻技術(shù)制備出高度均勻的金屬/合金納米顆粒，并進(jìn)行二次實(shí)驗(yàn)篩選。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)篩選結(jié)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(xué)方法制備了AuCu3納米材料，并驗(yàn)證了其對正常細(xì)胞的安全性和優(yōu)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(xué)、湖南大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)合作完成。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和國家納米中心等的支持。相關(guān)計(jì)算機(jī)程序已取得國家版權(quán)局計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記認(rèn)證。

論文鏈接

篩選抗菌納米材料的“計(jì)算+實(shí)驗(yàn)”集成方案。該方案發(fā)展了針對材料數(shù)據(jù)庫的計(jì)算機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了HO吸附能（E_ads,OH）的高通量自動(dòng)計(jì)算，利用Eads,OH預(yù)測合金納米材料活化H2O2的催化活性，利用元素共價(jià)半徑（Rc,mix）預(yù)測其細(xì)胞毒性，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行二次篩選，通過濕法化學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了具有優(yōu)異抗菌活性的合金納米材料。