《Small》综述：用于生物医学应用的MOF材料

一、文章概述

金属有机骨架（MOF）是一类有趣且有用的配位聚合物，由于组成多样、合成容易、易于表面功能化、高表面积、可调节孔隙率和可调生物相容性等独特特性，MOFs 已广泛应用于氢/甲烷储存、催化、生物成像和传感、药物输送、海水淡化、气体分离、磁性和电子器件、非线性光学、水蒸气捕获等。目前，随着合成方法和表面功能化策略的快速发展，具有先进生物相关特性的智能 MOF 基纳米复合材料已经被设计和制造以满足生物医学应用对 MOF 材料日益增长的需求。吉林大学杨英威老师课题组发表了一篇综述概述了 MOF 在生物医学领域的合成和功能化以及最新进展，包括用于癌症治疗、生物成像、抗菌、生物传感和生物催化的货物（药物、核酸、蛋白质和染料）递送。最后，还讨论了基于 MOF 的生物医学材料领域的前景和挑战。

与传统的 MOFs 相比，纳米级MOFs（NMOFs）具有高度有序的孔隙率和固有的孔径，并具有更大的比表面积，这使其生物活性和化学/胶体稳定性增强，表面改性更有效，生物分布得到改善。作为用于生物医学应用的传统纳米材料，包括 NMOF 在内的 MOF 具有以下优势：1) 数以千计的MOF 为各种生物相关应用提供了一个多功能多孔材料库；2) 稳定但可降解的结构保证了重复使用和按需使用；3) 高比表面积和孔隙率有助于有效封装/装载从小分子到生物大分子的货物。特别是，NMOF 良好的分散性和生物相容性确保了体内应用的生物安全性。

二、图文导读

图1. 用于生物医学应用的 MOF 合成和功能化的示意图。包括货物输送（即药物、核酸、蛋白质和染料）、生物成像、抗菌、生物传感和生物催化。

图 2. (a) 分别在 1a-L 和 1b-D 中左旋和右旋双链 3₁ 螺旋链的侧视图 [–111 方向]。灰色、红色、蓝色和绿色分别代表 C、O、N 和 Zn; (b) 1a-L 中的两种尺寸和三角形和六边形棱柱形纳米笼; (c) 用于顺铂和siRNA 共递送的 siRNA/UiO-Cis 制备示意图; (d) NPCN-333(Al) 的二级构件; (e) NPCN-333(Al) 中两种类型的介孔腔和 TYR 的尺寸。

图 3. (a）基于CP5封端的UMCM-1-NH-Py的DDS合成过程和药物释放行为示意图; (b) 基于 Fe-MIL-101 的 DDS 制备示意图及其在肿瘤治疗中的应用以及该系统中代表性组件的图例; (c) 基于 Fe-MIL-101 的 DDS在氧化还原刺激下的 DOX 释放曲线; (d) 基于 β-CD 封端的 UiO-68-偶氮的 DDS 制备过程示意图。

图4. (a)基于WP6封端的核壳MOFs制备DDS的示意图及其在协同化学光热疗法中的应用; (b) DBC-UiO在光照射下为 PDT 生成 ¹O₂ 的示意图; (c) Pda-Pt@PCN-FA 纳米工厂的示意图描述，用于提高TME中PDT期间ROS的使用效率; (d) 串联催化MOF平台的制备示意图及其在通过PDT和PTT增强缺氧肿瘤细胞治疗效果中的应用。

图 5. (a) 用于癌症治疗的具有高效肾脏清除能力的 MOF QDs 的制备示意图; (b) Mn-ZrMOF NCs 作为纳米平台用于肿瘤的协同 MDT 和 MTT 的示意图; (c) Hf-DBB-Ru 启动的线粒体靶向 RT 和 RDT 诱导肿瘤细胞凋亡的示意图;(d)基于聚乙二醇化卟啉Au-NMOF的纳米杂化物的主要成分的示意图以及用于肿瘤治疗的O₂-evolving协同放化疗的机制。

图6. (a) Au@MIL-88(Fe)的制备示意图，用于CT、MRI和PAI成像在胶质瘤诊断中的应用; (b) 在静脉注射 Au@MIL-88(Fe) 纳米平台之前和之后，携带 U87 MG的小鼠的 CT (b1,2)、MRI (b3,4) 和 PAI (b5,6) 图像; (c) MOF@HA@ICG系统构建及FL、PAI和T2加权MRI成像在MCF-7荷瘤小鼠治疗中的应用示意图; (d) FL、(e) PAI 和 (f) 体内注射各种材料后的 MRI 图像。

图7. a) 基于ZIF-8的MOFilter在空气污染和个人防护中光催化高效杀菌的应用示意图。

b) 基于 MIL-100(Fe) 的纳米平台的制造和体内图像引导精确抗菌治疗的拟议策略。

c) 在CD-MOF 的孔中生长超细Ag NPs 的制备过程和CD-MOF 的表面改性。

d) ZIF-8-PAA-MB@AgNPs@Van-PEG的合成及其在眼内炎治疗中的应用。

图8. (a,b) Au NPs@MIL-101@GOx/LOx 生物传感器在 SERS 检测葡萄糖和乳酸中的应用示意图; (c) R-UiO 的合成过程; (d) 在缺氧（左）、常氧（中）和充气（右）条件下，CT26 细胞与基于 R-UiO 的生物传感器孵育的比例成像; (e) 用于H₂S 气体检测的 Eu3⁺/Ag⁺@UiO-66-(COOH)₂ 生物传感器示意图; (f) 添加H₂S 0 到 8 分钟后，Eu³⁺/Ag⁺@UiO-66-(COOH)₂ 在 615 nm 处的荧光强度变化; (g) 各种NaHS浓度的线性拟合曲线与Eu³⁺/Ag⁺@UiO-66-(COOH)₂ 在615 nm处的荧光强度变化; (h) GSPs@ZIF-8 制造和使用挥发性有机化合物检测 SERS 诊断肺癌的示意图，以及 (i) GSPs@ZIF-8 生物传感器对不同大小气体分子的选择和结合策略。

图9. (a) Zr-MOFs 互连层次孔结构的顶视图（左）和侧视图（右）示意图; (b)在Zr-MOFs 大孔中加载 LDH 的过程; (c) NMIL-101(Cr) 的传送笼和 MP8 的结构; (d) 游离 MP8、NMIL-101(Cr) 和 MP8@NMIL-101 对带正电荷的 MB 和带负电荷的 MO 的降解效率;(e)具有超稳定性和刺激响应性的人造细胞的制造过程示意图; (f) 载有GOx-ZIF-L的人工细胞在UV-C、高温（65℃）、胰蛋白酶水解3小时、低温（4℃）条件下催化能力的紫外-可见吸收曲线。

三、全文总结

这篇综述回顾并讨论了基于MOF的复合材料在生物医学应用方面的最新进展，包括用于癌症治疗的载体（药物、核酸、蛋白质和染料）的输送、生物成像、抗菌剂、生物传感和生物催化中的应用。MOFs作为生物医学中的多功能载体主要是利用其可调节的结构和形态、优秀的表面积、高孔隙率和结晶度、强大的负载能力，增强的热/化学稳定性和不同的亲和力。

同时，研究人员一直致力于开发基于MOF的材料，在生物医学应用中具有很强的靶向性和在生物医学应用中可忽略的毒副作用。但基于MOF的复合材料在生物医学应用中仍然面临着严峻的挑战。

(1) MOFs的毒性是在临床研究之前需要解决的最紧迫问题。由于MOFs结构和种类的多样性，以及生物体内部环境的复杂性，MOFs的毒性不仅与组成、形态、尺寸和稳定性有关，而且还与生物组织的耐受性有关。因此，各种MOFs的毒性需要进行全面的评估。如果MOF支架要成为生物医学应用的优秀候选材料，那么长期毒性是应该考虑的最关键的一点。

(2) 使用内源性或生物活性分子作为配体和具有高生物相容性的金属离子（如Fe、Ca、Zn等）作为金属节点来构建功能性MOFs，对于避免MOFs的毒性有很大好处。

(3) 防止MOFs在循环过程中的聚集和过早清除是另一个需要解决的挑战。严重的聚集会导致额外的毒副作用。表面功能化和尺寸控制通常被用来解决这个缺点。通过调节合成方法或其他物理化学策略将MOF的直径控制在纳米级范围；用聚合物、超分子大环化合物对MOFs进行表面功能化；用其他实体来调节表面电位和结合力也是一种有效的策略。

(4) MOFs的降解机制和途径需要在体内进行系统的研究，并结合多模态成像方法来监测MOFs的降解过程。

虽然MOFs在生物医学应用中仍然面临着长期的挑战，但迄今为止所取得的重大进展，为研究毒性、生物降解性和降解机制的研究提供了参考基石。我们设想，在不久的将来具有多学科优势的MOFs在临床应用方面将得到进一步发展，以改善人类健康。

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