纳米酶作为一类结合纳米材料特性与类酶催化功能的革命性人工酶，已重塑了催化科学并弥合了有机与无机催化剂之间的鸿沟。其 transformative potential（变革潜力）已获得 IUPAC 和 CAS 的高度认可，被列为“十大新兴技术”之一。尽管现有研究展示了可调节结构、高稳定性及低成本等优势，但传统纳米材料面临活性位点密度低和结构异质性的局限。本文旨在探讨从常规纳米材料向单原子催化剂演进的必然性，并重点介绍一种突破单一金属位点限制的新范式——高熵合金纳米酶（HEAzymes），以解决催化可调性问题，推动生物医学、环境监测及绿色化学领域的重大挑战应对。
本综述系统梳理了 HEAzymes 的合成策略与表征框架。合成方法主要分为“自上而下”和“自下而上”两类：前者通过物理或化学能量将块体材料破碎为纳米结构（如球磨、脱合金化），虽工艺简单但难以精确控制粒径；后者利用分子前驱体构建，能更灵活地调控尺寸、形貌及晶体结构。HEAzymes 的设计核心在于引入五种或以上主金属元素形成固溶相，其独特性能源于四大协同效应：高构型熵锁定单相结构并允许难熔元素过饱和；严重晶格畸变生成粗糙能量景观以增强力学与耐腐蚀性；多元素扩散缓慢抑制蠕变与氧化；以及“鸡尾酒”效应通过调节吸附能至萨巴蒂尔最优值，优化电子结构与电荷转移。
研究发现，HEAzymes 已成功模拟过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）等天然酶的活性。其高熵框架不仅提供了卓越的结构稳定性，还通过组分设计实现催化性能的精细调控。机制上，多元素协同作用使吸附能优化至萨巴蒂尔最优值，移动 d 带中心并加速电荷转移，从而释放创纪录的催化活性。这种设计克服了单一金属位点催化剂的可调性限制，实现了电子结构与中间体吸附的全面优化。目前，HEAzymes 在肿瘤免疫治疗、抗炎组织再生、病原体检测及污染物降解等领域已展现出巨大应用潜力，标志着纳米酶设计进入深度跨学科融合的新阶段。
尽管 HEAzymes 展现了革命性的前景，但现有合成方法仍存在局限性：自上而下的物理法（如激光烧蚀、磁控溅射）常导致粒径分布宽或产率低；自下而上法则需克服规模化生产的挑战。本文作为一篇观点性综述，总结了当前在合成路径选择与表征技术上的进展，并指出未来工作需在保持高熵结构稳定性的同时，进一步提升纳米颗粒的分散性与表面性质控制精度。随着对构型熵、晶格畸变及扩散动力学机制理解的深入，HEAzymes 有望成为下一代高性能催化材料的核心平台，推动从实验室研究向实际应用的转化。
Les nanozymes constituent une classe révolutionnaire d'enzymes artificielles combinant les propriétés des nanomatériaux à la catalyse de type enzymatique, remodelant ainsi la science du catalyseur et comblant le fossé entre les catalyseurs organiques et inorganiques. Leur potentiel transformateur a valu aux nanozymes une reconnaissance majeure, incluant leur classement parmi les « 10 technologies émergentes » par l'IUPAC en 2022. Cependant, malgré leurs avantages tels que la stabilité élevée et le faible coût, les nanomatériaux conventionnels souffrent d'une densité de sites actifs limitée et d'hétérogénéité structurelle. Cette perspective vise à présenter une évolution rationnelle vers des catalyseurs mononucléaires puis vers les alliages à haute entropie (HEA), introduisant ainsi un nouveau paradigme pour surmonter les limitations de la tunabilité dans le design des nanozymes et répondre aux défis en biomédecine.
L'approche décrite repose sur une revue systématique des méthodes de synthèse, notamment les voies « top-down » (fragmentation physique ou chimique de matériaux massifs) et « bottom-up » (construction à partir de précurseurs moléculaires). Les HEA sont définis comme des solutions solides contenant cinq éléments métalliques principaux en proportions quasi-équimolaires. Leur conception exploite quatre effets fondamentaux : l'entropie configurationnelle élevée qui verrouille les phases uniques et permet la sursaturation d'éléments immiscibles ; une distorsion de réseau sévère créant un paysage énergétique rugueux pour améliorer la ténacité et retarder la corrosion ; une diffusion lente des éléments multiples supprimant le fluage et l'oxydation ; et un effet « cocktail » synergique optimisant les énergies d'adsorption vers l'optimum de Sabatier.
Les résultats principaux indiquent que les HEAzymes ont réussi à mimer efficacement les activités enzymatiques naturelles, telles que la peroxydase (POD) et la superoxyde dismutase (SOD). Leur cadre à haute entropie offre une stabilité structurelle exceptionnelle tout en servant de plateforme versatile pour le réglage fin des performances catalytiques via la conception compositionnelle. L'analyse scientifique interprète cette performance record comme résultant d'une optimisation collective des énergies d'adsorption et du déplacement du centre de bande-d, accélérant ainsi le transfert de charge. Ces avancées permettent aux HEAzymes de surpasser les limitations des catalyseurs plus simples et ouvrent la voie à des applications prometteuses en immunothérapie tumorale, régénération tissulaire anti-inflammatoire et dégradation de polluants environnementaux.
En conclusion, bien que les HEAzymes représentent un changement de paradigme majeur, des limitations subsistent dans le contrôle précis de la taille et de la morphologie lors des synthèses « top-down », qui peuvent conduire à l'agglomération. Les méthodes « bottom-up » offrent plus de précision mais nécessitent encore d'être optimisées pour une production à grande échelle. Cette perspective souligne que les travaux futurs doivent se concentrer sur le raffinement des techniques de synthèse et la compréhension approfondie des mécanismes cinétiques complexes, tels que l'effet cocktail et la distorsion du réseau. L'intégration interdisciplinaire continue est essentielle pour transformer ces matériaux prometteurs en solutions catalytiques économiques et stables pour les applications biotechnologiques et environnementales de demain.
ナノzymes（ナノ酵素）は、ナノ材料の特性と類酵素触媒機能を組み合わせた革新的な人工酵素であり、有機および無機触媒間のギャップを埋め、酵素学のパラダイムを変容させています。IUPAC や中国科学院により「トップ 10 エマージングテクノロジー」に選出されるなど高い評価を得ていますが、従来のナノ材料は活性点密度の低さと構造的不均一性に直面しています。本稿では、単原子触媒への進化がもたらす調製性の限界を克服し、5 つ以上の主金属元素を含む固溶相である高エントロピー合金（HEA）を利用した新しい設計パラダイム「高エントロピーナノ酵素（HEAzymes）」の導入と、その生物医学・環境分野における応用可能性について概説します。
本稿は HEAzymes の合成法および特性評価枠組みを体系的にレビューしています。合成アプローチは、「トップダウン」法（塊状材料の物理的または化学的分断）と「ボトムアップ」法（分子前駆体からの構築）に大別されます。HEA は 5 つ以上の主元素が近等モル比で混合された固溶溶液として定義され、その卓越した性能は4つの相補的な効果に基づいています：熱力学的に単一相を固定し不混和元素の過飽和を可能にする高構成エントロピー；転位や亀裂を防ぎ耐食性を向上させる著しい格子歪み；クリープと酸化を抑制する遅い多元素拡散；そして吸着エネルギーをサバティアー最適値に調整して電子構造を最適化する相乗的「カクテル効果」です。
主要な知見として、HEAzymes はペルオキシダーゼ（POD）やスーパーオキサイドジスムターゼ（SOD）などの天然酵素活性を効果的に模倣できることが示されています。高エントロピー構造は卓越した構造的安定性を提供すると同時に、組成設計を通じて触媒性能の微調整が可能な汎用プラットフォームとして機能します。科学的解釈では、5 つ以上の元素が集団的に吸着エネルギーを最適化し d-バンド中心をシフトさせることで電荷移動を加速させ、記録的な触媒活性を発揮することが解明されています。これにより、単純な触媒の限界を超え、腫瘍免疫療法や抗炎症組織再生、病原体検出など多様な分野で大きな可能性を示しています。
本稿は HEAzymes の現状と将来展望を論じていますが、トップダウン法（球磨、脱合金化等）では粒径分布が広く、ボトムアップ法でも大規模生産における制御の難しさといった課題が残されています。特に、単分散したナノ粒子を得るための精密なサイズ・形態制御は依然として技術的ハードルです。今後の研究では、構成エントロピーや格子歪みなどのメカニズム理解を深めつつ、合成プロセスのスケーラビリティと表面性質の制御精度向上に注力する必要があります。この分野が深く統合された学際的な時代を迎える中で、HEAzymes は次世代の高性能ナノ酵素として、経済的で安定した触媒ソリューションを提供する重要な役割を果たすことが期待されます。
Las nanoenzimas constituyen una clase revolucionaria de enzimas artificiales que combinan propiedades nanomateriales con catálisis tipo enzimática, reconfigurando la ciencia catalítica y cerrando la brecha entre catalizadores orgánicos e inorgánicos. Su potencial transformador ha merecido un reconocimiento destacado, siendo nombradas una «Tecnología Emergente Top 10» por IUPAC y una frontera de química en 2022. Sin embargo, a pesar de ventajas como la estabilidad y el bajo costo, los nanomateriales convencionales enfrentan limitaciones críticas como baja densidad de sitios activos e heterogeneidad estructural. Esta perspectiva tiene como objetivo presentar la evolución racional hacia catalizadores mononucleares y finalmente hacia aleaciones de alta entropía (HEA), introduciendo un nuevo paradigma para superar las restricciones de sintonización en el diseño de nanoenzimas y abordar desafíos en biomedicina.
El enfoque descrito se basa en una revisión sistemática de los métodos de síntesis, clasificándolos principalmente en enfoques «top-down» (fragmentación física o química de materiales masivos) y «bottom-up» (construcción a partir de precursores moleculares). Las HEA se definen como soluciones sólidas que incorporan cinco o más elementos metálicos principales en proporciones casi equimolares. Su diseño aprovecha cuatro efectos fundamentales: la alta entropía configuracional que bloquea las fases únicas y permite una sobresaturación masiva de elementos inmiscibles; la severa distorsión reticular que genera un paisaje energético rugoso para mejorar la tenacidad y retardar la corrosión; la difusión lenta multielemental que suprime el fluencia y oxidación; y el efecto «cóctel» sinérgico que optimiza las energías de adsorción hacia el óptimo de Sabatier.
Los hallazgos principales indican que los HEAzymas han logrado imitar eficazmente actividades enzimáticas naturales, como la peroxidasa (POD) y la superóxido dismutasa (SOD). Su marco de alta entropía no solo proporciona una estabilidad estructural excepcional, sino que también sirve como plataforma versátil para el ajuste fino del rendimiento catalítico mediante el diseño composicional. La interpretación científica explica este desempeño récord como resultado de un efecto colectivo donde cinco o más elementos ajustan las energías de adsorción y desplazan el centro d-band, acelerando la transferencia de carga. Estos avances permiten a los HEAzymas superar las limitaciones de catalizadores más simples y abren camino a aplicaciones prometedoras en inmunoterapia tumoral y degradación de contaminantes.
En conclusión, aunque los HEAzymas representan un cambio paradigmático mayor, persisten limitaciones en el control preciso del tamaño y la morfología durante las síntesis «top-down», que pueden conducir a aglomerados. Los métodos «bottom-up» ofrecen más precisión pero requieren optimización para producción escalable. Esta perspectiva subraya que los trabajos futuros deben centrarse en refinar las técnicas de síntesis y comprender mejor mecanismos cinéticos complejos como el efecto cóctel y la distorsión reticular. La integración interdisciplinaria continua es esencial para transformar estos materiales prometedores en soluciones catalíticas económicas y estables, posicionando a los HEAzymas como una frontera hacia nanoenzimas de próxima generación con alto rendimiento.
تُعدّ النانو-إنزيمات فئة ثورية من الإنزيمات الاصطناعية التي تجمع بين خصائص المواد النانوية والتحفيز الشبيه بالإنزيم، مما أعاد تشكيل علم التحفيز وسد الفجوة بين المحفزات العضوية وغير العضوية. وقد حظيت هذه التقنية باعتراف رفيع المستوى، حيث صنفتها IUPAC ضمن «أهم 10 تقنيات ناشئة» في عام 2022. ومع ذلك، وعلى الرغم من مزايا مثل الاستقرار العالي والتكلفة المنخفضة، فإن المواد النانوية التقليدية تواجه قيوداً جوهرية تتمثل في كثافة مواقع نشطة منخفضة وعدم تجانس هيكلي. يهدف هذا المنظور إلى استعراض التطور العقلاني نحو المحفزات أحادية الذرة ثم سبائك عالية الإنتروبيا (HEA)، مقدماً نموذجاً جديداً للتصميم يتجاوز قيود القابلية للتعديل في تصميم النانو-إنزيمات، بهدف معالجة التحديات الكبرى في الطب الحيوي والمراقبة البيئية.
يركّز هذا العمل على مراجعة منهجية لطرق التصنيع والتصنيف، حيث تُقسّم طرق التحضير بشكل أساسي إلى نهج «من الأعلى للأسفل» (تفتيت المواد السائبة) و«من الأسفل للأعلى» (البناء من سلائف جزيئية). تُعرّف سبائك عالية الإنتروبيا بأنها محاليل صلبة تحتوي على خمسة عناصر معدنية رئيسية أو أكثر بنسب شبه متساوية. وتستند خصائصها الفريدة إلى أربعة تأثيرات أساسية: إنتروبيا تكوينية عالية تثبت الأطوار الأحادية وتسمح بتشبع فائق للعناصر غير القابلة للامتزاج؛ تشوه شبكي شديد يولد منظر طاقة وعراً لتعزيز المتانة وتأخير التآكل؛ انتشار بطيء متعدد العناصر يكبح الزحف والأكسدة؛ وتأثير «الكوكتيل» التآزري الذي يضبط طاقات الامتزاز نحو الأمثل حسب ساباتير، محققاً نشاطاً تحفيزياً قياسياً.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن النانو-إنزيمات عالية الإنتروبيا (HEAzymes) نجحت في محاكاة فعالية الإنزيمات الطبيعية مثل بيروكسيداز السوبر أوكسيدات. إن إطارها عالي الإنتروبيا لا يوفر استقراراً هيكلياً استثنائياً فحسب، بل يعمل أيضاً كمنصة متعددة الاستخدامات لضبط الأداء التحفيزي الدقيق من خلال التصميم التركيبي. وتفسر الدراسة العلمية هذا الأداء القياسي على أنه نتيجة لتأثير جماعي حيث تضبط خمسة عناصر أو أكثر طاقات الامتزاز وتحول مركز نطاق d-، مما يسرع نقل الشحنة. وقد فتحت هذه التطورات آفاقاً واعدة في مجالات مثل العلاج المناعي للورم وتجديد الأنسجة المضاد للالتهابات واكتشاف مسببات الأمراض.
في الختام، ورغم أن النانو-إنزيمات عالية الإنتروبيا تمثل تحولاً نموذجياً كبيراً، إلا أن هناك قيوداً قائمة تتعلق بالتحكم الدقيق في الحجم والشكل أثناء طرق التصنيع «من الأعلى للأسفل»، والتي قد تؤدي إلى تكتل الجسيمات. بينما توفر الطرق «من الأسفل للأعلى» دقة أكبر، فإنها لا تزال بحاجة لتحسين قابلية التوسع للإنتاج الصناعي. تؤكد هذه المنظورة أن العمل المستقبلي يجب أن يركز على تحسين تقنيات التصنيع وفهم الآليات الحركية المعقدة مثل تأثير الكوكتيل والتشوه الشبكي بشكل أعمق. إن التكامل متعدد التخصصات المستمر ضروري لتحويل هذه المواد الواعدة إلى حلول تحفيزية اقتصادية ومستقرة، مما يضع النانو-إنزيمات عالية الإنتروبيا في طليعة الجيل القادم من المحفزات فائقة الأداء.