过氧化物酶、氧化酶等天然酶具有高效产生活性氧（ROS）以清除致病菌或病变细胞的能力，其中钒卤代过氧化物酶（V-HPO）表现尤为突出。钒卤代过氧化物酶是一类独特的生物催化剂，与常规产生活性氧的酶相比，其还可生成次氯酸（HClO），这是自然界中氧化性最强的活性物质之一。

这种兼具常规活性氧与高活性次氯酸的双重产氧能力，使其在抗菌、抗肿瘤等多种生物医学领域展现出前所未有的治疗潜力。然而，天然酶稳定性差、成本高昂等问题严重限制了其实际应用。随着对类酶催化生物合成与生物治疗需求的急剧增长，生物催化材料的人工酶工程化研究取得了显著进展。

尽管已有多种人工酶被开发并应用于天然酶的治疗替代场景，但五氧化二钒（V2O5）及钒掺杂金属氧化物是少数能够精准模拟钒卤代过氧化物酶双重生物催化功能的合成材料。目前人工钒酶的构建策略主要侧重于对天然酶活性中心的结构或功能模拟。

但这类方法存在固有缺陷：钒中心与电负性氧原子配位后d电子密度降低，导致其与过氧化氢相互作用过强，氧中间体解离受阻。这类电子结构层面的限制从本质上削弱了反应动力学与催化效率。

同时，现有人工钒酶普遍忽略了活性中心再生与长期稳定性这一关键问题，常发生不可逆价态锁定、配位环境破坏或金属离子部分溶出，最终导致催化失活。

图1Vˣ⁺-SonoAE的电子传递特性有效提升ROS催化活性和超声辐照下的稳定性（摘自Advanced Materials）

钒卤代过氧化物酶催化产生ROS的过程涉及复杂的多电子反应，其特点是高能中间体形成与V-HPO脱附，并伴随钒离子价态在V4+与V5+之间的可逆转变。自然界已进化出完善的应对机制，如NADPH氧化酶-细胞色素P450氧化还原系统，通过铁离子中心精准调控电子传递，实现超氧阴离子的持续生成。

而当前基于纳米材料的人工酶体系（如金属氧化物纳米生物催化剂）难以复刻这种复杂的生化过程，普遍存在催化效率有限、工作稳定性差等问题。外场能量输入（包括光、X射线与超声波）可为催化位点激活提供激发电子，成为解决上述问题的潜在途径。

超声波在生物医学应用中具备独特优势：不同于光的组织穿透深度有限、X射线存在电离效应，超声波可实现催化活性的精准时空调控，同时具备良好的生物安全性。尽管具备这些优势，可声激活的人工钒酶体系在催化纳米医学领域仍鲜有探索。

该研究受天然钒卤代过氧化物酶与NADPH氧化酶ROS催化系统启发，设计了一种声激活人工钒酶（Vˣ⁺-SonoAE），用于高效、可再生的活性氧纳米生物催化治疗。通过模拟天然酶中的电子传递链与VO₄活性中心，不仅在二氧化钛表面构建了高效、稳定且位点精确的钒活性中心，还可在ROS生物催化过程中实现氧化还原中心的持续再生。

作者以TiO₂作为电子供体，在超声激发下持续为Vˣ⁺活性中心提供电子，使其在生物催化氧化还原循环中实现动态再生。密度泛函理论（DFT）计算揭示了独特的钒自旋驱动催化机制：TiO₂基体经超声激发产生的电子被Vˣ⁺位点捕获，随后钒离子在高自旋三价、中自旋四价与低自旋五价之间发生可逆自旋态转变。

这种垂直于材料表面的自旋-电荷密度调控可引导电子流向，构建高效稳定的产生活性氧催化循环。Vˣ⁺-SonoAE声激活人工钒酶体系展现出优异的ROS催化活性与稳定性，转化数高达54×10⁻³s⁻¹，超过所有已报道的金属氧化物纳米生物催化剂，且在超声辐照下可实现ROS生成能力的再生。

这些优异性能转化为出色的治疗效果，可有效加速感染创面愈合并抑制肿瘤生长。该研究为设计具有精准电子传递调控能力的高效可再生纳米生物催化材料建立了全新范式，既为自旋态介导的生物催化提供了理论基础，也为生物医学应用提供了实用化解决方案。

参考消息：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73022