研究内容

纳米酶（Nanozyme）凭借兼具纳米材料稳定性与天然酶催化功能的特点，在抗氧化、抗炎及生物医学领域展现出广阔应用前景。其中，氧化铈（CeO₂）纳米酶具有独特的Ce³⁺/Ce⁴⁺可逆氧化还原循环，能够模拟超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT），清除细胞内过量活性氧（ROS）。但CeO₂的催化性能并非只由化学组成决定，其形貌、晶面暴露、表面缺陷及氧空位均会改变活性位点和电子转移过程。因此，明确“纳米形貌—表面结构—酶样活性—生物效应”之间的关联，是实现CeO₂纳米酶精准设计的关键。

本研究以CeO₂为材料体系，通过不同合成条件制备了纳米球（NSs）、纳米棒（NRs）、纳米立方体（NCs）、纳米管（NTs）和量子点（QDs）五种形貌的CeO₂纳米酶，并利用SEM、FT-IR、XRD、Raman、Zeta电位及DLS等手段系统比较其理化性质。结果显示，五种材料均保持典型的萤石型立方晶体结构，但不同形貌表现出明显不同的表面化学性质、胶体稳定性及缺陷结构，说明仅改变纳米材料形貌即可显著改变其生物催化性能。

进一步研究发现，五种CeO₂均具有CAT样和SOD样活性，但两种酶样活性对形貌的响应并不相同。CAT活性整体差异较小，而SOD活性表现出明显的形貌依赖性，其中QDs的SOD样活性最高，NTs最低。具体检测中，NCs表现出最高的CAT活性，达到21.03 μmol/mg，而QDs的SOD活性达到1.25 U。研究认为，这种差异与不同形貌CeO₂表面的Ce³⁺/Ce⁴⁺比例及电子转移过程有关：SOD样反应更依赖氧化过程，而CAT样反应涉及相反方向的还原过程，因此两者之间呈现一定的活性此消彼长关系。

在整体抗氧化能力方面，NTs表现最佳，NCs紧随其后。有意思的是，尽管QDs具有更高的比表面积，其总抗氧化能力却没有明显超过NTs和NCs。这说明对于CeO₂纳米酶而言，比表面积并不是决定抗氧化能力的唯一因素，特定晶面暴露及氧空位数量可能发挥更加关键的作用。Raman分析进一步显示，氧空位相关峰约位于610 cm⁻¹，其相对强度可用于反映材料氧空位水平，而不同形貌之间的缺陷结构存在明显差异。

细胞实验进一步验证了不同形貌CeO₂的抗氧化能力。研究利用H₂O₂建立RAW264.7细胞氧化应激模型，结果显示五种CeO₂均能够显著降低细胞内ROS水平，其中NRs、NTs和QDs表现出更加突出的ROS清除能力。与此同时，五种材料在0.125、0.25和0.5 mg/mL浓度下均未表现出明显细胞毒性，细胞形态也未发生显著改变，表明这些CeO₂纳米酶具有较好的体外生物相容性。

研究进一步将材料应用于LPS诱导的RAW264.7细胞炎症模型。结果发现，无论是3 h的急性炎症刺激还是12 h的慢性炎症刺激，五种CeO₂均能够明显降低促炎因子IL-1β表达，同时提高抗炎因子IL-10和TGF-β水平。机制研究显示，LPS刺激能够显著提高NF-κB通路关键蛋白P-p65水平，而不同形貌CeO₂均能够抑制P-p65表达，提示其抗炎作用与阻断ROS/NF-κB信号轴密切相关。也就是说，CeO₂首先通过SOD/CAT样活性清除过量ROS，随后降低ROS介导的NF-κB激活，从而减少下游促炎因子的表达。

值得注意的是，抗氧化能力最强并不意味着所有生物学效应都必须由同一种形貌实现。研究发现不同形貌在SOD、CAT、总抗氧化能力及细胞ROS清除方面各有优势，但最终五种材料均能有效抑制NF-κB通路。这一结果说明CeO₂纳米酶的生物学效应是多种结构参数共同作用的结果，也进一步证明通过形貌工程调控Ce³⁺/Ce⁴⁺循环、氧空位和晶面暴露，可以成为优化纳米酶功能的重要手段。

津合生物点评：

研究亮点：

亮点1：系统揭示CeO₂形貌对纳米酶活性的调控规律

研究没有局限于单一CeO₂材料进行性能评价，而是建立了NSs、NRs、NCs、NTs和QDs五种形貌的平行比较体系，在相同化学组成下考察形貌变化带来的功能差异。结果显示，CAT和SOD样活性对形貌的敏感程度并不一致，其中SOD活性表现出更加明显的形貌依赖性。这一结果说明，纳米酶设计不能简单理解为“材料成分决定活性”，形貌本身就是调节催化性能的重要结构参数。

亮点2：证明氧空位比单纯比表面积更值得关注

传统纳米材料设计往往强调减小粒径、增加比表面积，以获得更多暴露活性位点。但本研究发现，QDs虽然具有较高比表面积，却没有表现出最高的整体抗氧化能力；相反，NTs和NCs依靠特定晶面及较丰富的氧空位表现出更强的总抗氧化性能。这一结果提示，在CeO₂纳米酶中，真正决定催化能力的并非“表面积越大越好”，而是有效活性位点的性质和缺陷结构，为后续缺陷工程和晶面工程提供了重要依据。

亮点3：建立“Ce³⁺/Ce⁴⁺循环—ROS清除—NF-κB抑制”机制链

研究进一步将材料的纳米尺度氧化还原机制与细胞炎症信号联系起来。Ce³⁺/Ce⁴⁺循环赋予CeO₂ SOD/CAT样活性，使其能够降低细胞内过量ROS；而ROS又是NF-κB激活的重要上游信号，因此ROS下降能够进一步抑制P-p65磷酸化及NF-κB信号传导，最终减少促炎因子表达。由此建立了从表面氧化还原循环→ROS稳态→炎症信号→细胞因子的完整作用链，为理解CeO₂纳米酶抗炎机制提供了更加清晰的理论框架。

亮点4：将材料结构优化与急、慢性炎症干预联系起来

研究并未只使用单一时间点的炎症模型，而是分别模拟急性和慢性炎症状态，并观察不同形貌CeO₂对IL-1β、IL-10和TGF-β等炎症因子的调控。结果显示五种材料均能够降低LPS诱导的促炎反应，同时提高抗炎因子水平，说明CeO₂纳米酶具有较稳定的抗炎潜力。结合良好的细胞相容性，该研究进一步说明形貌可控的CeO₂纳米酶具有向炎症相关生物医学材料发展的潜在价值。

应用方向：

应用一：炎症性疾病纳米治疗

CeO₂纳米酶能够同时模拟SOD和CAT，直接降低细胞氧化应激，并通过ROS/NF-κB轴抑制炎症信号，因此可进一步用于炎症性疾病的纳米治疗。未来可针对类风湿关节炎、炎症性肠病及组织损伤等不同疾病环境，通过调节CeO₂形貌及氧空位浓度，设计具有更高ROS清除效率的抗炎材料。

应用二：组织工程与生物材料表面抗炎

CeO₂具有良好的抗氧化能力和生物相容性，将其引入骨修复材料、植入物涂层、水凝胶及组织工程支架，有望降低植入部位ROS积累和炎症反应。特别是针对长期植入材料，可通过形貌工程调节CeO₂的持续抗氧化能力，从而改善材料—组织界面的微环境，为开发具有主动抗炎功能的生物材料提供新的思路。

应用三：氧化应激相关疾病干预

过量ROS不仅参与炎症，还与衰老、心血管损伤、神经退行性疾病及组织缺血再灌注损伤等多种病理过程密切相关。研究中不同形貌CeO₂均能够降低H₂O₂诱导的细胞ROS，其中NRs、NTs和QDs表现出较强的细胞ROS清除能力，因此未来可进一步针对不同疾病的ROS类型和水平选择合适形貌，实现更加精准的抗氧化干预。

应用四：形貌工程驱动的纳米酶理性设计

该研究最大的材料学启示之一，是证明“同一种化学组成，不同形貌可以产生不同酶样功能”。未来可结合晶面调控、氧空位工程、Ce³⁺/Ce⁴⁺比例调节以及计算模拟，建立“形貌—缺陷—电子结构—酶样活性—生物效应”构效关系，并进一步利用机器学习筛选最佳纳米结构，使纳米酶研发从经验型材料制备逐步走向结构可预测、性能可调控的理性设计。