Manuel Tsotsalas卡尔斯鲁厄理工学院Acc. Chem. Res.：金属-有机骨架模板的生物材料：合成、功能化和应用

【引言】

多孔结晶骨架与软聚合物结合的新型生物材料有很大应用潜力，但是这项工作非常具有挑战性。根据生物功能进行定制金属有机骨架（MOF）模板聚合物（MTP）作为模块化材料，结合了MOF的优点（精确控制的结构、框架拓扑中的巨大多样性和高孔隙率）和聚合物的内在行为（质地柔软、柔韧性、生物相容性和生理条件下的稳定性提高）。通过正交共价交联转化表面锚定的MOF（Surmof），产生表面锚定的聚合物凝胶（Surgel），开辟了获得软纳米多孔材料的新方法。本文总结了金属-有机骨架模板化生物材料的合成、功能化和应用的最新进展；分析了限制Surgel发展的因素；指明了Surgel未来发展的方向。

【成果简介】

近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院的Manuel Tsotsalas（通讯）作者等人，重点介绍将Surmof转化为生物功能定制的持久模块化纳米多孔材料的研究进展。使用细胞培养研究Surgel材料的各个方面，例如：生物活性分子递送到Surgel表面上的粘附细胞的能力，应用于药物递送系统；表面修饰调节细胞粘附的能力，以及卟啉开发Surgel薄膜的抗菌性能。然后，批判性地分析当前方向的挑战和局限；讨论了未来的研究方向；总结了MOF模板化生物相容性材料的新方法，强调需要体系中响应和适应性功能。相关成果以“Metal−organic framework-templated biomaterials: Recent progress in synthesis, functionalization, and applications”为题发表在Accounts Of Chemical Research上。

【图文导读】

图 1 设计Surmof模板分层结构生物材料

图 2 自组装单层（SAM）上的液相外延逐层Surmof合成的示意图

图 3 内部表面（小分子在孔中扩散）和外表面（较大分子附着在外表面上）的MOF后合成功能化的示意图

图 4 有机配体的结构单元或分子式

（a）叠氮化物或炔烃标记作为结构单元的代表性的有机配体；

（b）二级交联剂（CL）的硫醇或炔烃标记的分子。

图 5 Surmof-Surgel及正交合成聚合方法

（a）Surmof-Surgel合成聚合方法的示意图；

（b）正交功能位点。例如：接头骨架内的叠氮化物和烷氧基，与CL分子相互作用，点击反应机制共价互连MOF结构。

图 6 MOF转化为聚合物凝胶：AzoMOF（AzM）交联MOF（CLM）转化为MOF模板化聚合物（MTP）

图 7 分子纺织品的形成策略

图 8 光诱导的硫醇-炔点击法将含RGD的寡肽接枝到Surgel

（左）Surgel框架的方案；

（右）硫醇-炔点击表面改性的Surgel。

图 9 Surmof的链接和荧光性能

（a）六边形图案的光掩模局部限制rhodamine-SH与Zn₂(BA-BDC)₂（dabco）Surmof的连接体的连接示意图；

（b）Surmof的荧光显微镜图像；

（c）Surgel薄膜的荧光显微镜图像；

（d）沿垂直于线的荧光强度迹线。

图 10 逐层异质外延法，在磁芯颗粒（MagMOF）周围MOF生长设计及性能表征

（a）Cu的MOF生长（BA-TPDC）；

（b）点击反应加载蓝色染料分子；

（c）Cu（TPDC）的MOF增长；

（d）Cu（BA-TPDC）的MOF增长；

（e）点击反应加载红色染料分子；

（f-g）不同滤光器的染料官能化的多壳MOF涂覆纳米颗粒的共聚焦显微镜图像：蓝色通道、、红色通道和红色和蓝色通道的叠加。

图 11 MagGel胶囊的制备及其性能

（上）分层结构的壳上壳MOF颗粒及其转化为MagGel胶囊的示意图；

（下）通过发射光谱证实，pH引发的溶胀和从MagGel胶囊中释放染料的示意图。

图 12 在Surgel基体上，P. putida pJN::gfp细菌培养24 h时后的示意图和荧光显微镜图像

图 13 卟啉Surmof到Surgel的结构和性能图

（上）卟啉Surmof到Surgel转换的示意图；

（下）卟啉对大肠杆菌的抗菌潜力的薄膜的荧光显微镜图像。

【小结】

（1）限制、功能化和应用的因素

Surgel方法具有高度灵活性，能够用生物活性分子加载和表面功能化分层结构的膜，每个限定的位置包含多个活性组分。尽管Surgel生物材料取得了进展，但它们仍然处于起步阶段，仍限制其在生物环境和功能化中的实际潜力的某些挑战。需解决当前的局限性：（1）高通量筛选方法对MOF模板材料的结构-活性/毒性关系进行系统研究；（2）Surgel材料在纳米器件中实现最佳的物理、化学和某些机械性能的工业生产方法；（3）合成分子组分、生物活性化合物、纳米和微观结构太小，计算方法来明确组分和结构。

（2）未来的研究方向

生物组织在结构上和动态上都是复杂的。除有分层结构用于高级细胞培养支架的材料，如：响应卟啉Surmof-To-Surgel转化，卟啉Surgel薄膜具有抗大肠杆菌的抗菌能力。动态响应材料必须通过靶向、定时释放生物活性分子、重塑来响应细胞和特定的刺激。集成功能能够远程响应各种刺激，如：温度、光照、pH值和压力条件，将提供新的应用可能性。因此，偶氮苯转换动态功能的整合，以及分子工程的持续基础进步，将拓宽和深化MOF的生物材料的知识和适用性。PSM能够在3D框架内动态运动的柔性分子整合在一起，因为它允许分子在空间中精确对准，同时保持其灵活和动态的性质。开发更复杂的基于MOF的材料，获得这些材料的计算机模拟的高需求。由于众多分子成分提供了巨大的可能性，生物活性功能和1D、2D和3D结构，这是向前迈出的重要一步。预计基于MOF的生物材料的合理设计和功能化，将以无数方式获得回报，用于基本理解以及迄今未实现的治疗效果。

文献链接：Metal−organic framework-templated biomaterials: Recent progress in synthesis, functionalization, and applications（Accounts Of Chemical Research, 2019, DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00039）。

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