电子辐射诱导增强CeO2团簇的电催化性能、催化机理及其在脑损伤中的应用

During the traumatic brain injury, a large number of free radicals are generated. The invasion of these free radicals affects the function of the brain. In severe cases, it may even lead to death. Therefore, it is of great significance to investigate the neuroprotective effect and its mechanism. CeO2 nanoparticles performed catalytic properties, and therefore exhibit neuroprotective effect, but its size is too large, resulting in low catalytic activity and low excretion from the body. Herein, we proposed to design ultra-small Ce24O28, Ce38O54 and Ce40O56 clusters with atom precision to improve catalytic activity. At the same time, we proposed to use electron irradiation to enhance the active sites and catalytic performance of these clusters. XANES is also used to reveal structural changes and enhance catalysis mechanism. We employed catalytic cluster to brain damage. First, we use different doses and energy of simultaneous irradiation to irradiate highly efficient catalytic molecules and study their radiation-enhanced catalysis effects. Second, the structure and coordination changes of the catalytic clusters were calculated by using XANE and density functional theory to study its detailed catalytic mechanism. Finally, optimizing these efficient catalyzed ceria molecular clusters to study their ability to scavenge free radicals and intracellular reactive oxygen species, study the survival rate, behavioral and in vivo chemical and biochemical mechanisms of brain injury mice.

在外伤性脑损伤中会产生大量的自由基，这些自由基会影响脑功能，严重的时候甚至可能导致死亡。因此，研究脑损伤的神经保护作用及其机理具有重要意义。CeO2纳米颗粒具有较强的催化性能，因此具备一定的神经保护作用，但其尺寸太大，这不仅导致了催化活性低，而且无法从生物体内快速排泄。为此，申请人拟设计原子精度的超小CeO2团簇来提高其催化活性以及自由基清除能力，最终对脑损伤起到神经保护作用。首先，制备不同尺寸的原子精度的二氧化铈纳米团簇，并表征其物理性质。其次，拟使用不同剂量和能量的电子辐照来增强这些团簇的活性位和催化性能，同时使用XAFS和密度泛函来揭示其结构变化导致的催化增强机理。最后，研究这些催化团簇对自由基和细胞内的活性氧片段的清除能力，对脑损伤小鼠的存活率的行为学的影响，最终得到催化活性高、抗氧化性强、低毒快速排泄的二氧化铈团簇，并通过组织 水平各类自由基的变化深入揭示团簇的神经保护机理。

在世界范围内，外伤性脑损伤（TBI） 是战争和运动中主要的致残或者致死的方式之一。全球每年大概有 1000 万的 TBI 患者。TBI 能导致严重的神经认知、物理和病理的损伤。清除自由基是治疗继发性脑损伤的最重要方式之一，目前临床药物和众多新材料尽管能够在一定程度上清除自由基，但活性位少，抗氧化能力不强，而且选择性较差。基于此，本项目设计出高效的、低毒的、能增强对各类自由基的清除能力，并能增加清除自由基的选择性的CeO2团簇，对治疗TBI 至关重要。首先，采取水相法合成了CeO2团簇，为提高其催化活性，进一步设计合成了Pt/CeO2、Cr/CeO2、Au/CeO2、Pd/CeO2团簇。利用不同物理手段-高分辨率透射电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱进行表征对样品进行了测试与表征，结果表明各种掺杂原子以单原子的方式掺杂在CeO2团簇中，其中单原子的分布导致了CeO2团簇的晶格膨胀，从而形成了新的稳定的活性位点与电子转移路径，导致其催化活性的改变。利用化学手段对样品的催化性能进行了测试与分析，主要进行了过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）类酶活性测试，同时研究了抗氧化活性并测试了其对ONOO-、DPPH自由基的清除能力，确定了其具有较高的催化活性和选择性。其次我们使用XANES 来研究团簇的精细结构、原子配位和价态信息，确定物质结构和催化的活性位点。并结合使用密度泛函理论计算研究了不同CeO2团簇和自由基的结合能，分析其催化活性，对清除自由基系统能量进行分析，通过理论计算更深一步揭示催化原理。最后，利用细胞实验测试纳米酶的体外清除自由基能力以及消炎能力，同时将团簇酶负载于柔性的碳纤维布上制成纳米酶绷带，并将其应用于TBI小鼠的治疗。研究表明团簇酶绷带的催化活性在长达一个月的测试中几乎没有衰减，证明其具有良好的活性和稳定性。动物实验表明团簇酶绷带在创伤性脑损伤小鼠的治疗中确实表现出良好的疗效，它不仅可以有效地促进伤口愈合，而且在降低神经炎症反应、缓解神经损伤方面卓有成效.