2025年10月30日，《Nature Communications》在线发表了东南大学生物科学与医学工程学院张宇教授团队的最新研究成果，论文题为《Steering H2O2 lysis pathway for ROS generation in Prussian blue nanozymes via alkali cation doping》（DOI: 10.1038/s41467-025-64610-9）。该研究首次通过配位工程实现了普鲁士蓝纳米酶（Prussian Blue nanoparticles, PBNPs）从“ROS清除”到“ROS生成”的性能转变，揭示了普鲁士蓝表面Fe配位环境对H2O2裂解通路的关键影响，为纳米酶催化机制及其在环境与生物医学中的应用提供了新的思路。
普鲁士蓝是一类典型的铁基纳米酶，以其优异的氧化还原活性，被广泛应用于生物医药与环境治理。传统观点认为其催化反应主要通过非自由基路径（通过Fe=O中间体完成）进行，并且能够清除羟基自由基（·OH），从而具备抗氧化活性。张宇教授团队在前期工作中揭示了PBNZ通过电子传递机制发挥多酶活性，并且可通过价带/导带双路径电子转移实现“催化自增强”（Nat. Comm., 2024, 15, 5908）。然而，这种特性与多数铁基纳米酶通过经典Fenton路径（伴随·OH生成）存在显著差异，其是否具备自由基生成能力仍缺乏实验证据。
为此，研究团队从理论层面重新审视了这一机制问题。基于从头算分子动力学（AIMD）模拟，比较了不同Fe配位环境下H2O2裂解的能垒差异：表面低配位FeN4位点倾向于通过氢转移（HAT）生成Fe=O物种，而高配位FeN5位点则在酸性条件下可通过质子辅助的同裂反应直接生成·OH自由基。该结果明确指出H+参与的高配位Fe中心是实现自由基生成的关键条件。
为了在实验上验证理论预测，作者通过碱金属离子掺杂策略调控PB的结晶度与配位结构。利用Cs+的大半径与低水合能，在沉淀反应中实现了Fe中心从低配位高缺陷向高配位高结晶的结构演化。性能测试表明，Cs-PBs的比活性较传统PB提高数倍（比活性达1182 U mg-1），其催化过程已由非自由基途径转变为典型的Fenton样自由基反应。EPR检测到显著的DMPO-·OH信号。pH依赖实验亦证明H+的存在显著促进·OH生成，与理论计算高度吻合。该结果说明，通过配位调控可在结构层面实现非自由基—自由基通路的可逆切换，突破了长期以来PB只能清除ROS的固有局限。
在应用方面，Cs-PB在两种体系中表现出卓越性能。其一，在水体污染物降解实验中，Cs-PB/ H2O2体系对甲基蓝的去除率在30 min内超过95%，速率常数较普通PB提升两个数量级。其二， Cs-PB能显著提高胞内ROS水平并诱导乳腺癌4T1细胞死亡率降至20%以下，而对正常成纤维细胞仍具良好生物相容性，显示出优异的化学动力学治疗潜力。值得注意的是，传统PB在相同体系中则表现出相反作用：清除ROS并维持细胞活力，说明Cs掺杂从根本上逆转了PB的氧化还原行为。
本研究通过“计算预测-配位调控-性能验证”的完整逻辑链，揭示了Fe配位数与酸性环境共同决定H2O2裂解途径的本质机制。通过Cs离子诱导的配位工程，团队成功将普鲁士蓝从传统的抗氧化纳米酶转化为具高效Fenton活性的“产ROS型”纳米催化剂，为纳米酶的功能可编程化与精准应用开辟了新方向。
东南大学生物科学与医学工程学院博士研究生王管诚和博士后魏小丽为论文共同第一作者，武昊安副教授、马明副教授与张宇教授为通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、东南大学数字医学工程全国重点实验室和东南大学量子材料与信息器件教育部重点实验室的支持。