多级孔金属有机骨架材料的合成及其在生物医药中的应用研究进展

王晓晨

（中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院，上海201208）

金 属 有 机 骨 架（metal−organic frameworks，MOFs）是一类由金属离子或金属簇与有机配体连接形成的晶体多孔材料。1995 年，Yaghi 课题组[1]以金属钴为金属位点，以吡啶为配体合成了首例MOFs 材料。此后合成MOFs 的金属从过渡金属逐渐拓展至碱金属和稀土金属。配体通常采用含氧羧基配体、含氮有机配体、磷酸盐和磺酸盐等[2−4]。不同金属和配体构筑的MOFs 具有不同的结构和性能[5]。

MOFs 具有高比表面积、孔道结构规整均一、孔道尺寸可调节、密度低、结晶度高和易于修饰等特点[6−10]，因此在催化、气体吸附分离、光电材料和有机合成等诸多领域具有广阔的应用前景[11−16]。MOFs 家族发展至今，已有MOF−5、HKUST−1 和ZIF−8 等多种不同拓扑结构的MOFs 材料，由此制备的MOFs 薄膜、微球等功能材料可以应用于诸多领域[17−21]。多孔材料按孔径大小可以分为微孔（＜2nm）、介孔（2～50nm）和大孔（＞50nm)。传统MOFs 以孔径小于2nm的微孔结构为主，过小的孔道不利于反应分子的扩散和传输，限制其在大分子反应中的应用。2004 年，Férey 课题组[22]开发出具有罐笼结构的MIL−100，这一材料具有0.65nm的微孔和2.5～3.0nm 的介孔，这种多级孔MOFs 兼具微孔和介孔材料的优势，同时具有良好的水热稳定性和化学稳定性。它的出现改变了传统微孔MOFs 受限于孔道结构无法参与大分子反应的缺点，还可以提高MOFs材料的比表面积和稳定性[23]，因此近年来开发稳定的孔径可调节的微孔−介孔和微孔−介孔−大孔MOFs 引起科学界的关注[24−27]。多级孔MOFs 材料不仅在传统MOFs 应用领域有良好的表现，孔道尺寸适宜的多级孔MOFs还可以负载酶、胰岛素和蛋白质等大分子，在生物医药、能源存储、传感、催化和光电材料等领域有广阔的应用潜力[28−32]。本文聚焦近年来多级孔MOFs 的合成方法和其在生物医学方面的应用研究进展，同时讨论了多级孔MOFs材料的优势和挑战，以及未来的发展方向。

1 MOFs材料的合成方法

1.1 延长配体法

延长配体法是较为常见的合成多级孔MOFs材料的方法[33−35]。这一方法可以在不影响拓扑结构的同时有效扩大MOFs的孔径。合成孔径的尺寸与选择的配体尺寸直接相关，这一方法的缺点在于，如果选取的配体过长，会带来孔道不稳定和骨架坍塌等问题[35−37]，并且由于配体长度与刚性负相关，因此合成的MOFs孔径被限制在10nm以下。

周宏才课题组[38]采用四羟基卟啉（TCPP）为配体，Zr6簇为组装节点通过配位键连接合成了类似血红素的锆基MOFs PCN−222(Fe)，其晶体结构如图1 所示。由图可知与UiO−66(Zr)不同的是，TCPP与八面体Zr6簇相连，Zr6对称性下降，形成六边形一维孔道的扭曲多面体。PCN−222 具有1.3nm和3.2nm 两类孔道结构，比表面积高达2200m2/g，其N2物理吸附表征结果如图2所示。这种材料具有良好的水热稳定性，且耐酸，是一种超高稳定性多级孔MOFs，研究者将其广泛用于光催化、水处理和传感器方面，并且取得了良好的效果[39−40]。2018年，该课题组[41]通过控制配体热解，合成了超稳多级孔HP−MOFs 材料，通过控制热解温度、加热时间和配体比例可以达到精确控制MOFs材料孔径的目的。中山大学张杰鹏课题组[42]采用二次对称的金属草酸根链和三次对称的有机桥联配体合成了一种具有蜂窝状一维孔道的介孔三维框架MOFs（MCF−61、MCF−62 和MCF−63），其孔径为2～4nm。

图1 PCN−222（Fe）晶体结构和网络拓扑图

图2 PCN−222（Fe）N2吸附−脱附等温线和孔径分布

为了进一步降低MOFs制备成本，武汉大学邓鹤翔课题组[43]采用廉价的有机配体（4−吡唑甲酸）合成了两类新型介孔MOFs材料（MOF−818、MOF−919），同时揭示了MOFs材料的孔道和其拓扑结构的关系。这一方法成本低廉，操作简便，构筑的MOFs孔径最大可达6nm，为大分子的吸收和传质提供了可能。将这种介孔材料运用于生物医药方面，可以负载胰岛素和维生素B12等生物大分子，同时具有良好的稳定性，能够耐酸碱。这项工作将廉价的原料转化成为具有水热稳定性和生物相容性的介孔MOFs材料，未来有望展现出更多应用潜力。

2018 年，Vincent 等[44]开辟了一种合成介孔MOFs的全新路径，以锆团簇和偶氮苯−4,4−二羧酸以及4,4'−二苯乙酸二羧酸两种配体合成了Zr−fcu−MOFs，随后引入臭氧与4,4'−二苯乙酸二羧酸发生反应，将该配体转化为对苯二甲酸和苯甲酸，切断这一配体与金属中心的连接，而另一配体偶氮苯−4,4−二羧酸则不与臭氧发生反应，从而使MOFs 骨架中的微孔融合形成2～5nm 的介孔。这一固气相修饰反应在室温下进行，可以采用洗涤或升华将切断的配体碎片从骨架中除去。

1.2 模板剂法

模板剂法常用于制备介孔纳米材料，通过调节加入的模板剂、螯合剂与金属配比，可以达到控制MOFs 孔径的目的[45−47]，同时这一方法有一关键步骤是去除模板剂。模板剂残留会导致孔径无法形成，因此不能通过焙烧的方式去除模板剂，而要采用模板剂洗脱方法[48]。

Huang 等[49]采用在酸性环境下不稳定的金属−有机聚集体作为模板剂，经过原位组装制备了19种具有微孔和介孔的稳定多级孔H−MOFs。中国科学院韩布兴院士课题组[50]在模板剂法制备介孔MOFs 方面做了一系列工作。该课题组[51]在高压离子液体/超临界二氧化碳/N−乙基全氟辛基磺酰胺乳液体系中，采用自组装的方法以硝酸锌和对苯二甲酸为原料合成了具有有序长程介孔的MOFs 纳米微球。

2019年，北京化工大学谭天伟院士课题组[52]通过反相乳液聚合法合成纳米MOFs颗粒，使水杨酸和三聚氰胺在MOF 内部形成水凝胶模板剂，再升高温度去除模板剂，即可得到兼具微孔和介孔的新型MOFs 材料（HZIF−8、HZIF−67）。将葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶负载在HZIF−8 孔道中所得到的酶体系较自由酶和微孔ZIF−8负载酶均有大幅度提高。此外，HZIF−8 良好的稳定性为生物大分子提供了优良的保护环境，使得这一酶体系可耐受一定程度的酸碱性和温度变化，HZIF−8 丰富的介孔也有利于酶的运输，使这一催化系统的催化性能优于微孔HZIF−8。这种方法不仅过程简单，还可以通过调节模板剂达到调变孔径的目的，未来可以拓展至更多MOFs材料的扩孔改造，开发出一系列多功能性的多级孔MOFs材料。

1.3 聚合物法

近年来，在体系中加入聚苯乙烯、聚偏氟乙酸等聚合物作为结构导向剂促使MOFs形成多级孔结构的方法逐渐被研究者关注。中国科学技术大学余彦课题组[53]将聚苯乙烯球滤饼浸泡在ZIF−8 前体溶液中，在聚苯乙烯纳米粒子间隙中原位合成ZIF−8，随后通过刻蚀法去掉聚苯乙烯，得到具有有序大孔的三维ZIF−8，再经过高温碳化过程制得N 掺杂异质多孔炭（N−HPC），这一材料的颗粒尺寸在1～3μm，孔径约为170nm。将其作为K+离子电池负极材料，发现N−HPC 具有较高的比容量和循环稳定性，能够在2A/g电流密度下循环12000次依然保持157mA·h/g。这是因为有序大孔结构相较微孔更有利于K+的扩散，同时N掺杂也产生了更多的活性位点，可以作为一种高效电极材料应用于储能领域。

2018年，华南理工大学李映伟教授课题组[54]以聚苯乙烯（PS）微球为模板，采用甲醇−氨水双溶剂诱导的异相成核法首次合成出世界首例有序大孔−微孔MOFs 单晶材料SOM−ZIF−8。样品的扫描电镜照片如图3所示。由图可知SOM−ZIF−8呈正十四面体构型，具有三维有序定向排列的大孔结构，孔径范围在190～470nm。将其应用于催化苯甲醛和乙二腈的Knoevengagel缩合反应，结果表明具有大孔结构的SOM−ZIF−8 催化活性是具有微孔结构的C−ZIF−8的4倍以上，同时由于这种材料具有稳定的单晶结构和低缺陷密度，循环使用7次后，活性未有明显降低，稳定性良好。SOM−ZIF−8 的问世将介孔MOFs进一步拓展至大孔，未来有望成为一类应用更加广泛的功能材料。

2020年，浙江大学李伯耿教授课题组[55]开发了一种一锅法制备多级孔MOFs的方法，通过从MOFs前体、聚合物溶液中蒸发溶剂，使MOFs结晶和聚合物析出同时发生，从而制成兼具微孔、介孔和大孔的HKUST−1/聚偏氟乙酸（PVDF），制备过程如图4所示。这种方法过程简单，制得的MOFs材料具有强度高、结构灵活可控和水稳定性高等特点。将其应用于CO2吸附，吸附速率高达0.821min−1（298K，0.1MPa)，是常规微孔MOFs 材料的3.5 倍，同时吸附容量与微孔MOFs相当，同时在实验测试的所有压力下均能保持良好的气体吸附能力。

图3 大孔−微孔SOM−ZIF−8示意图及扫描电镜照片［54］

2 MOFs生物医药中的应用

靶向药物是药物研究的焦点话题，作为医药活性分子的酶、胰岛素和蛋白质等生物大分子需要经过载体装载，才能准确到达病灶。因此近年来，二氧化硅、氧化石墨烯、碳纳米管等多种无机多孔材料作为药物载体成为研究者关注的热点[56]。可用于生物医学的MOFs材料应具备以下特点：①金属毒性较小；②配体为羧酸等无毒、不影响人体代谢系统的物质；③合适的孔径和孔道结构，避免负载的分子失活；④骨架具有一定的水稳定性，且能够在一定条件下释放负载分子[57]。MOFs 材料相比于传统固定化酶和药物载体材料，具有高比表面积、规整均一孔径、可根据需要使用不同配体、结构灵活可控等优势，是一种药物的优良载体。

2.1 固定化酶反应器

固定化酶是指将酶固定在不可溶的载体中，保持酶的活性，在一定条件下进行释放酶以催化反应。固定化酶的方法可分为物理方法和化学方法。固定化酶的过程载体与酶之间为物理吸附、金属亲和吸附和共价键连接等方式结合，不影响酶的活性和稳定性，同时要求底物能够在载体孔道内较好地扩散，因此选择合适的载体和固化方法才能使酶的催化活性最大化[58−60]。

Gao等[61]以Ni−MOF 为前体，氯化锌为造孔剂，通过热分解法得到具有微孔和介孔的多级孔MHNiO 材料。将辣根过氧化物酶（HRP）和细胞色素C（Cyt C）通过共价键结合固载到MHNiO 的介孔中，制成了具有优异的催化性能同时稳定性良好的酶反应器，并将其应用于对环境毒素的降解，结果如图5所示。由图可知，这一酶反应器可以用于降解水中的2,4−二氯苯酚和利福昔明两种毒素，降解效率达90%以上。

图4 一锅法制备多级孔HKUST−1/PDVF过程［55］

图5 HRP@MHNiO和Cyt C@MHNiO对环境毒素的降解效率［61］

2018年，周宏才课题组[62]采用铝三聚体簇和配体TATB通过自组装形合成具有4.2nm和5.5nm两种不同尺寸介孔的MOFs 材料PCN−333，结构如图6所示。由图可知，酪氨酸酶尺寸大小决定其只能存在于5.5nm孔道中。使用这种MOFs材料负载酪氨酸酶制得纳米反应器，活化了乙酰氨基酚，乙酰氨基酚是一种常被应用于治疗感冒引起的发热和疼痛的药物。活化后的乙酰氨基酚则转化为具有细胞毒性的AOBQ，将这种物质引入多种癌细胞，并且由于NPCN−333携带荧光分子，能够追踪其路径，可以观察到纳米反应器对卵巢癌细胞、宫颈癌细胞和非小细胞肺癌细胞均能起到非常好的杀伤效果。这一开创性工作极大推进了介孔MOFs在生物医药领域的应用[63−65]，未来有望开发出更多具有生物相容性的多孔复合材料，推进人类攻克癌症等科研进程。

Farha 等[66]合 成 了 一 系 列 锆 基MOFs （NU−100x），扩大了NU−1000 的六边形孔道、三角形孔道和窗口尺寸。孔径大小NU−1007＞NU−1006＞NU−1005＞NU−1004＞NU−1003＞NU−1000。随后研究者将其用于酶催化反应，结果如图7 所示。由图可知，适宜的孔道结构使得乳酸脱氢酶（LDH）能够在MOF 材料中均匀分布，孔径尺寸与酶活性呈正相关趋势，部分材料的酶活性甚至超过非负载的游离酶，这项工作为MOFs负载酶催化各类生物质转化反应提供了新的思路。

图6 PCN−333结构［62］

图7 Nu−100x负载酶的性能［66］

2020年，南京工业大学孙林兵课题组[67]将微孔ZIF−8 生长在介孔分子筛SBA−15 的孔道中，制成了具有微孔−介孔的多级孔复合材料SBA−15/ZIF−8。这一材料对胰蛋白酶的吸附量高达2037.7mg/g，远高于SBA−15（788.6mg/g）和ZIF−8（203.0mg/g），说明集成了微孔和介孔的复合材料吸附性能高于单一孔道结构材料，是一生物酶的优良载体。同时，负载在这一材料中的胰蛋白酶在热稳定性和长期储存稳定性方面也高于纯胰蛋白酶。

2.2 医药载体

采用纳米颗粒、纳米微球等载体通过化学键结合、物理吸附和分子自组装等方式负载药物是药物研发的热点领域。MOFs 材料作为一类新兴药物载体，可通过自组装或后修饰的方式装载药物，使药物通过共价键或非共价键与MOFs 骨架相连。MOFs 独特的比表面积和孔结构可以使载药量大大提高，但传统微孔MOFs存在孔道狭窄限制药物分子释放以及影响生物大分子活性等问题。因此2012年，Yaghi课题组[68]在MOF−74基础上，使用不同长度的配体，对MOFs进行孔道扩展，得到一系列介孔MOFs材料（IRMOF−74−Ⅰ～IRMOF−74−Ⅺ）。这一系列材料热稳定性良好，能够吸附天然蛋白质等生物大分子，开辟了多级孔MOFs用于负载医药大分子方面研究的先河。

Wang 等[69]添加三甲胺（TEA）制成了一种大孔径、小粒径的MOF材料meso UiO−66。以细胞色素C 模拟载药过程，发现这种材料不仅负载量高，还能够在弱酸环境下释放药物分子。2018 年，Jeong 等[70]采用银催化脱酸方法（silver−catalyzed decarboxylation）在MOFs框架结构中引入大孔和介孔，该方法不改变MOFs 结构，且MIL−100、MIL−100和HKUST−1等多种不同结构的MOFs 材料都可以运用这种方法形成多级孔。将这种多级孔MOFs膜材料制成的纳滤装置应用于蛋白质分离，结果表明这种材料可以使牛血清蛋白和牛血红蛋白这两种尺寸接近的蛋白质得到有效分离。2018 年，Peng等[71]合成具有一维孔道、低细胞毒性的介孔MOFs（Ni−IrMOF−74−Ⅱto −Ⅴ），这种材料的孔径在2.2～4.2nm 之间。将单链DNA 分子（SSDNA）负载在其上，结果表明由于MOFs 具有合适的孔径，SSDNA分子能够大量进入MOFs孔道，在传输过程中，还可以防止DNA 被酶降解。MOFs 与DNA 之间的弱相互作用，保证了进入细胞后，SSDNA 实现了快速大量释放。北京化工大学刘惠玉课题组[72]以咪唑类骨架材料ZIF−8为模板，通过高温煅烧合成具有类卟啉结构的介孔炭球（PMCS），这一材料具有高比表面积和多孔结构，将作为高效无机声敏剂用于活体肿瘤声动力治疗，结果表明这一材料具有良好的生物相容性和肿瘤抑制效率。

3 结语

MOFs是近十年来科学界广泛关注的一类新型多孔材料，但受其微孔孔径的限制，在扩散和传质方面具有一定局限性，因此兼具微孔和介孔优势的多级孔MOFs渐渐吸引研究者的关注。本文总结了近年来多级孔金属有机骨架材料的合成和其在生物医药方面的最新研究进展。相比于传统微孔催化剂，多级孔催化剂具有明显有点：①具有尺寸可调节的介孔或大孔，保证大分子可以在孔道内传输；②介孔结构使得酶等生物大分子在MOFs外表面的包裹下具有更好的强度和稳定性；③由于活性生物分子不受微孔孔道制约，因此活性远远超过自由状态。

与此同时，在合成多级孔金属有机骨架材料方面仍存在诸多问题和挑战：①合成多级孔MOFs的方法普遍过于复杂、实验条件苛刻，不具有普适性；②制得的介孔MOFs不稳定，在某些实验中发生骨架坍塌，孔径反而减小的情况；③针对多级孔MOFs 的后修饰研究不多，开发出易被修饰的多级孔MOFs 是提高功能性、拓展其应用价值的重要一环。

尽管目前多级孔MOFs材料还以实验室研究为主，但随着不同配体和金属构成的新型多级孔MOFs 相应出现，更多功能化的MOFs 材料有望投入重要的研发领域。近年来，科学研究多集中在多级孔金属有机骨架材料在气体分离方面的应用，在生物医药领域的研究属于新兴热点，未来可在能源存储、光电催化和化学传感等方面拓展其应用，成为多孔材料的一座重要里程碑。