IF 38.1！金改性纳米多孔硅用于细胞内凝聚物的光电化学调控

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金属与半导体界面处的纳米催化技术已在众多领域得到应用，但其在调控细胞响应中的作用仍鲜有研究。本文通过揭示一种多孔硅基光催化剂在生理条件下促进水两电子氧化生成过氧化氢的长期未明机制，探索了这一前沿领域。我们通过精确调控细胞外环境中过氧化氢的光电化学合成，实现了对细胞内应激颗粒形成的定向干预，从而显著增强了细胞对强氧化应激的耐受能力。该光电化学策略在离体啮齿动物心肌缺血-再灌注损伤模型中被验证具有治疗潜力。研究数据表明，采用温和浓度过氧化氢的光电化学预处理方案，可有效缓解心肌缺血-再灌注导致的功能衰退和梗死面积。这些发现不仅为缺血性疾病提供了一种潜在的无线治疗手段，更凸显了纳米结构半导体催化器件在生物医学领域的广阔前景。

创新点

1.首次阐明纳米多孔硅基材料在生理条件下催化水两电子氧化生成H₂O₂的分子机制，填补了半导体-生物界面催化理论的空白。

2.开创性地利用外部光电场精确控制胞外H₂O₂浓度梯度，实现对细胞内应激颗粒这一重要细胞器形成的时空特异性调控。

3.将传统电化学疗法升级为无线光电化学干预，通过纳米催化原位产生活性氧物种，避免了外源性H₂O₂直接给药的毒副作用。

4.构建了从纳米催化材料设计（半导体-金属界面）到细胞应激响应调控，最终实现器官保护的完整研究链条。

对科研工作的启发

1.该研究示范了如何将纳米材料的表面催化特性（Å尺度）与细胞器功能（μm尺度）、器官病理（mm尺度）进行多尺度关联，提示未来研究可关注其他半导体缺陷工程对亚细胞结构的影响。

2.区别于静态的化学刺激，光电化学方法允许通过调节光照强度/波长实现活性氧的脉冲式释放，这种动态调控模式可拓展至线粒体膜电位、细胞周期等时敏性过程的研究。

3.传统研究多关注氧化应激损伤，而本文通过可控氧化应激增强细胞耐受性，启示可系统探索其他"低剂量应激保护"现象（如热休克、低氧预处理）的纳米模拟方法。

思路延伸

1.探索具有近红外响应的窄带隙半导体（如黑磷量子点）与等离子体金属（金纳米棒）的杂化体系，实现深组织穿透的光电催化治疗。

2.结合单细胞RNA测序技术，解析H₂O₂浓度梯度与应激颗粒组分（G3BP1/TIA-1等）动态组装的定量关系，建立基于催化动力学的数学模型。

3.针对神经退行性疾病中异常蛋白聚集（如α-synuclein纤维化），开发可穿越血脑屏障的纳米催化器件，通过局部产生H₂O₂调控内质网应激反应。

4.集成柔性电子技术与催化材料，设计可植入式光电化学贴片，实现心肌缺血后的实时监测-治疗闭环系统。

生物医学领域的应用

1.开发植入式纳米光电极阵列，实现心肌梗死急性期的实时监测与自动化预处理，为心血管危重症提供新型闭环治疗系统。

2.结合可穿戴光源设备构建移动式氧化还原调控平台，用于术后器官功能保护及慢性缺血患者的长期管理。

3.基于该技术建立器官移植保存液的革新配方，显著延长供体器官的体外存活时间并提高移植成功率。

4.利用应激颗粒形成的敏感性开发新型生物传感器，实现亚临床期氧化应激损伤的早期预警。

Self-catalyzed growth of Co–N codoped carbon nanotubes for advanced multi-heterointerface engineering in hierarchical carbonaceous microwave

Nature Nanotechnology ( IF 38.1 )

Pub Date  : 2025-04-15

DOI : 10.1038/s41565-025-01878-4

Jing Zhang , Pengju Li , Jiping Yue , Lingyuan Meng , Wen Li , Chuanwang Yang , Saehyun Kim , Zhe Cheng , Ananth Kamath , Samira Siahrostami , Bozhi Tian

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