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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)計方向取得了新進展。相關(guān)研究成果以《抗菌納米藥物反向篩選的計算與實驗集成方案》（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)計算與3D打印技術(shù)的方案，實現(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，并通過濕法實驗進行了驗證。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)理論模型與計算機輔助方案，在少量實驗或無需實驗的條件下預(yù)測納米材料殺死有害細胞、保護正常細胞等生物醫(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，氧化細菌有機質(zhì)，殺死細菌這一關(guān)鍵化學(xué)機制，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，該研究利用前人提出的納米材料細胞毒性的定量構(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算方案。該方案同時考慮了材料活化H2O2的抗菌活性以及對正常細胞的安全性，從而能夠夠篩選出具有高效抗菌活性同時對正常細胞具有較低毒性的抗菌材料。進一步，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，并進行二次實驗篩選。計算和實驗篩選結(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，并驗證了其對正常細胞的安全性和優(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研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和國家納米中心等的支持。相關(guān)計算機程序已取得國家版權(quán)局計算機軟件著作權(quán)登記認證。論文鏈接篩選抗菌納米材料的“計算+實驗”集成方案。該方案發(fā)展了針對材料數(shù)據(jù)庫的計算機程序，實現(xiàn)了HO吸附能（Eads,OH）的高通量自動計算，利用Eads,OH預(yù)測合金納米材料活化H2O2的催化活性，利用元素共價半徑（Rc,mix）預(yù)測其細胞毒性，利用3D打印技術(shù)進行二次篩選，通過濕法化學(xué)進行實驗驗證，獲得了具有優(yōu)異抗菌活性的合金納米材料。