Manuel Tsotsalas卡爾斯魯厄理工學院Acc. Chem. Res.：金屬-有機骨架模板的生物材料：合成、功能化和應用

【引言】

多孔結晶骨架與軟聚合物結合的新型生物材料有很大應用潛力，但是這項工作非常具有挑戰性。根據生物功能進行定制金屬有機骨架（MOF）模板聚合物（MTP）作為模塊化材料，結合了MOF的優點（精確控制的結構、框架拓撲中的巨大多樣性和高孔隙率）和聚合物的內在行為（質地柔軟、柔韌性、生物相容性和生理條件下的穩定性提高）。通過正交共價交聯轉化表面錨定的MOF（Surmof），產生表面錨定的聚合物凝膠（Surgel），開辟了獲得軟納米多孔材料的新方法。本文總結了金屬-有機骨架模板化生物材料的合成、功能化和應用的最新進展；分析了限制Surgel發展的因素；指明了Surgel未來發展的方向。

【成果簡介】

近日，德國卡爾斯魯厄理工學院的Manuel Tsotsalas（通訊）作者等人，重點介紹將Surmof轉化為生物功能定制的持久模塊化納米多孔材料的研究進展。使用細胞培養研究Surgel材料的各個方面，例如：生物活性分子遞送到Surgel表面上的粘附細胞的能力，應用于藥物遞送系統；表面修飾調節細胞粘附的能力，以及卟啉開發Surgel薄膜的抗菌性能。然后，批判性地分析當前方向的挑戰和局限；討論了未來的研究方向；總結了MOF模板化生物相容性材料的新方法，強調需要體系中響應和適應性功能。相關成果以“Metal?organic framework-templated biomaterials: Recent progress in synthesis, functionalization, and applications”為題發表在Accounts Of Chemical Research上。

【圖文導讀】

圖 1 設計Surmof模板分層結構生物材料

圖 2 自組裝單層（SAM）上的液相外延逐層Surmof合成的示意圖

?

圖 3?內部表面（小分子在孔中擴散）和外表面（較大分子附著在外表面上）的MOF后合成功能化的示意圖

圖 4 有機配體的結構單元或分子式

（a）疊氮化物或炔烴標記作為結構單元的代表性的有機配體；

（b）二級交聯劑（CL）的硫醇或炔烴標記的分子。

圖 5 Surmof-Surgel及正交合成聚合方法

（a）Surmof-Surgel合成聚合方法的示意圖；

（b）正交功能位點。例如：接頭骨架內的疊氮化物和烷氧基，與CL分子相互作用，點擊反應機制共價互連MOF結構。

圖 6 MOF轉化為聚合物凝膠：AzoMOF（AzM）交聯MOF（CLM）轉化為MOF模板化聚合物（MTP）

圖 7 分子紡織品的形成策略

圖 8 光誘導的硫醇-炔點擊法將含RGD的寡肽接枝到Surgel

（左）Surgel框架的方案；

（右）硫醇-炔點擊表面改性的Surgel。

圖 9 Surmof的鏈接和熒光性能

（a）六邊形圖案的光掩模局部限制rhodamine-SH與Zn₂(BA-BDC)₂（dabco）Surmof的連接體的連接示意圖；

（b）Surmof的熒光顯微鏡圖像；

（c）Surgel薄膜的熒光顯微鏡圖像；

（d）沿垂直于線的熒光強度跡線。

圖 10 逐層異質外延法，在磁芯顆粒（MagMOF）周圍MOF生長設計及性能表征

（a）Cu的MOF生長（BA-TPDC）；

（b）點擊反應加載藍色染料分子；

（c）Cu（TPDC）的MOF增長；

（d）Cu（BA-TPDC）的MOF增長；

（e）點擊反應加載紅色染料分子；

（f-g）不同濾光器的染料官能化的多殼MOF涂覆納米顆粒的共聚焦顯微鏡圖像：藍色通道、、紅色通道和紅色和藍色通道的疊加。

圖 11 MagGel膠囊的制備及其性能

（上）分層結構的殼上殼MOF顆粒及其轉化為MagGel膠囊的示意圖；

（下）通過發射光譜證實，pH引發的溶脹和從MagGel膠囊中釋放染料的示意圖。

圖 12?在Surgel基體上，P. putida pJN::gfp細菌培養24 h時后的示意圖和熒光顯微鏡圖像

圖 13 卟啉Surmof到Surgel的結構和性能圖

（上）卟啉Surmof到Surgel轉換的示意圖；

（下）卟啉對大腸桿菌的抗菌潛力的薄膜的熒光顯微鏡圖像。

【小結】

（1）限制、功能化和應用的因素

Surgel方法具有高度靈活性，能夠用生物活性分子加載和表面功能化分層結構的膜，每個限定的位置包含多個活性組分。盡管Surgel生物材料取得了進展，但它們仍然處于起步階段，仍限制其在生物環境和功能化中的實際潛力的某些挑戰。需解決當前的局限性：（1）高通量篩選方法對MOF模板材料的結構-活性/毒性關系進行系統研究；（2）Surgel材料在納米器件中實現最佳的物理、化學和某些機械性能的工業生產方法；（3）合成分子組分、生物活性化合物、納米和微觀結構太小，計算方法來明確組分和結構。

（2）未來的研究方向

生物組織在結構上和動態上都是復雜的。除有分層結構用于高級細胞培養支架的材料，如：響應卟啉Surmof-To-Surgel轉化，卟啉Surgel薄膜具有抗大腸桿菌的抗菌能力。動態響應材料必須通過靶向、定時釋放生物活性分子、重塑來響應細胞和特定的刺激。集成功能能夠遠程響應各種刺激，如：溫度、光照、pH值和壓力條件，將提供新的應用可能性。因此，偶氮苯轉換動態功能的整合，以及分子工程的持續基礎進步，將拓寬和深化MOF的生物材料的知識和適用性。PSM能夠在3D框架內動態運動的柔性分子整合在一起，因為它允許分子在空間中精確對準，同時保持其靈活和動態的性質。開發更復雜的基于MOF的材料，獲得這些材料的計算機模擬的高需求。由于眾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結構，這是向前邁出的重要一步。預計基于MOF的生物材料的合理設計和功能化，將以無數方式獲得回報，用于基本理解以及迄今未實現的治療效果。

文獻鏈接：Metal?organic framework-templated biomaterials: Recent progress in synthesis, functionalization, and applications（Accounts Of Chemical Research, 2019, DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00039）。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu，我們會邀請各位老師加入專家群。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。