金属?有机骨架衍生纳米酶在生物医学中的应用

作者：张馨予

纳米酶融合了纳米材料和天然酶的优点，在过去几十年中引起了巨大的研究兴趣。通过模拟天然酶中催化位点的配位环境，纳米酶可以被打造成具有优异催化性能的模拟酶，并且在非生理的条件下也具有很好的稳定性。自2007年磁性氧化铁纳米粒子模拟过氧化物酶的开创性报道以来，许多纳米材料被开发为具有类酶催化特性的纳米酶。随着纳米科学和纳米技术的快速发展，纳米酶具有可大规模生产、高活性和良好稳定性等优势，有望成为具有多种用途的酶的替代品。

虽然一些报道的纳米酶表现出与天然酶相当的催化活性，但由于暴露的活性位点数量少、缺乏天然酶的多级结构和自身易发生团聚等缺点，大多数纳米酶的内在催化活性还有很大的提升空间。多数纳米酶只有表面原子参与了类酶催化活动，而其内部大量的原子要么是惰性的，要么可能引发不想要的副反应。与这些纳米酶不同，金属-有机骨架(MOFs)及其衍生物作为一种相对新型的多孔固体材料，具有明确的配位网络、介孔结构和可调孔隙率，其结构中可控的腔和通道可以提供类似于天然酶的疏水配位环境。因此，MOFs及其衍生物被认为是最具研究价值和应用前景的纳米酶之一。

基于MOF在纳米酶材料发展中的重要作用，赵彦利团队对具有酶活性的MOF基衍生物的研究现状和未来前景及其生物医学应用进行了综述。在这篇文章中，他们强调了MOF基衍生物（包括M?N?C（M = 单金属原子）、金属氧化物/碳、金属/碳），以及通过后合成连接剂交换和金属掺杂策略获得的MOF衍生物的一些重要研究进展。通过整合介孔纳米材料的物理化学性质和天然酶的酶活性，MOF衍生的纳米酶具有多样的用途。该综述系统地介绍了MOF衍生的纳米酶在生物医学领域中的多功能应用，如抗菌剂、生物传感器、成像、癌症治疗和环境保护等。最后，立足于现有的研究进展，该综述提出了未来MOF材料的设计原则和可能的研究方法，为MOF材料的机制和应用研究指明了方向。该综述将为纳米酶领域的发展提供有价值的参考。

图1 MOF衍生纳米酶和具有代表性的生物学应用的分类

作者首先对MOF材料进行分类并逐一进行介绍：

1）MOF衍生的M?N?C纳米酶

由于MOFs的多样性，在氮气、氩气和氢气等不同气体环境下，通过对温度的精确控制进行碳化来获得具有合金/碳、纯碳和掺杂其他原子的碳基材料成为一种很有前景的策略。通常，具有sp2键合碳原子的纯碳由于其没有极化的集成结构而没有催化活性。然而，一些具有缺陷或边缘氧化的碳材料可以改变碳的局域电子结构，使其具有丰富的催化反应活性中心。基于此，富勒烯、碳点、碳纳米管、氧化石墨烯和氮化碳等碳基纳米酶的催化性能改善方面已经取得了很大的进展。此外，利用MOF的碳化可以模拟天然酶金属活性中心如卟啉环等结构来制备M?N?C单原子纳米酶。利用该方法制备的单原子纳米酶具有孤立分散的活性催化中心，可以使金属原子达到最大的利用效率。该类材料已被应用于治疗肿瘤、伤口愈合等方面的研究中。

图2 MOF衍生的M?N?C纳米酶的应用

2）MOF衍生的金属氧化物和金属氧化物/碳纳米酶

与具有一定M?N?C结构的纳米酶不同，金属氧化物纳米粒子由于其金属的可变氧化状态、低合成成本和高环境稳定性而具有更广泛的应用。具有周期性金属节点的MOFs是构建介孔MOF基衍生物的良好候选材料。通过合理的MOF前驱体设计，在不同的退火条件（如温度、时间和气体环境）下可制备各种材料，包括金属氧化物/碳、金属/碳、碳化物、硫化合物、磷化物和氮化物等。除了退火温度之外，退火方法、步骤和条件对合成的MOF衍生物的组成也有重要的影响。通过惰性气体下的直接热解或由惰性气体过渡到氧气的两步退火策略，可制备出大量具有特定结构和功能的MOF衍生的金属氧化物/碳复合材料。该类材料已被用来进行肿瘤成像、光动力治疗、抗菌等。

图3 MOF衍生的金属氧化物和金属氧化物/碳纳米酶的应用

3）MOF衍生金属纳米粒子/碳纳米酶