近日，高兴发课题组在纳米毒理化学的理论设计方向取得新进展，相关成果以Integrated Computational and Experimental Framework for Inverse Screening of Candidate Antibacterial Nanomedicine（抗菌纳米药物反向筛选的计算与实验集成方案）为题发表在ACS Nano。该工作在课题组近期提出的“催化信号转导理论”（Acc. Chem. Res. 2023, 56, 2366-2377; Adv. Mater., 2023, 2211151）的基础上，发展了一套集成了科学计算与3D打印技术的方案，实现了从材料数据库中高效、准确地筛选具有抗菌潜力的纳米材料，并通过湿法实验进行了验证（图1）。该方案可移植性强，能够接入人工智能算法，对医用纳米材料的高通量筛选具有重要意义。
图1. 筛选抗菌纳米材料的“计算+实验”集成方案。该方案发展了一种针对材料数据库（Materials Project）的计算机程序，实现了HO吸附能（Eads,OH）的高通量自动计算，利用Eads,OH预测合金纳米材料活化H2O2的催化活性，利用元素共价半径（Rc,mix）预测其细胞毒性，利用3D打印技术进行二次筛选，用湿法化学进行实验验证，最终获得了具有优异抗菌活性的合金纳米材料。
高兴发课题组长期从事纳米毒理化学的基础理论研究，发展相关理论模型及计算机辅助方案，在少量实验或无需实验的条件下预测纳米材料杀死有害细胞、保护正常细胞等生物医学功能，以期缩短相关医用纳米材料的研究周期，节约研究成本。在该研究中，他们基于纳米材料通过表面催化作用活化H2O2，氧化细菌有机质，杀死细菌这一关键化学机制，利用他们之前提出的纳米表面活化H2O2理论模型，预测纳米材料的抗菌活性。同时，他们利用前人提出的纳米材料细胞毒性的定量构效关系（Nano-QSAR）模型，预测材料对正常细胞的安全性，发展了从Materials Project材料库中高通量筛选合金纳米粒子的计算方案。该方案同时考虑了材料活化H2O2的抗菌活性以及对正常细胞的安全性，从而能够筛选出具有高效抗菌活性同时对正常细胞具有较低毒性的抗菌材料。随后，利用扫描探针嵌段共聚物光刻技术（SPBCL）制备出高度均匀的金属/合金纳米颗粒，进行二次实验筛选。计算和实验筛选结果表明AuCu3合金兼具高催化活性和安全性，是一种潜在的抗菌纳米药物，最后通过湿化学方法制备了AuCu3纳米材料，验证了其对正常细胞的安全性和优良的抗菌活性，证明了集成筛选方案的可靠性。相关计算机程序已取得中华人民共和国国家版权局计算机软件著作权登记认证（图2），可访问https://github.com/xingfagao/PyPOD获得。
图2. 高通量筛选抗菌合金材料的计算机程序的著作权登记证书。
国家纳米科学中心征甲甲副研究员为该研究工作的第一作者，高兴发研究员为通讯作者，南京大学、湖南大学、南京林业大学的合作者为共同第一作者或共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金和国家纳米科学中心等项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c09128
