鋯基卟啉金屬有機框架的合成和性質研究

彭龍漩 張鳳娟 黃艷 陳楠 呂敏

DOI：?10.3969/J.ISSN.1000-5137.2024.01.002

收稿日期：?2023-11-01

基金項目：?國家自然科學基金（31971310，?32371439）

作者簡介：?彭龍漩（1999—），?女，?碩士研究生，?主要從事鋯基卟啉MOFs納米材料在抗菌等方面的研究. E-mail：stjkqjcx@163.com

* 通信作者：?呂?敏（1984—），?女，?研究員，?主要從事納米抗菌與微生物群體感應等方面的研究. E-mail：lvmin@shnu.edu.cn

引用格式：?彭龍漩，?張鳳娟，?黃艷，?等. 鋯基卟啉金屬有機框架的合成和性質研究?［J］. 上海師范大學學報?（自然科學版中英文），?2024，53（1）：10?16.

Citation format：?PENG L X，?ZHANG F J，?HUANG Y，?et al. Synthesis and properties of zirconium-based porphyrin metal organic frameworks ［J］. Journal of Shanghai Normal University （Natural Sciences），?2024，53（1）：10?16.

摘??要：?卟啉廣泛存在于自然界，因其優異的光物理和電化學性能而備受關注. 然而，卟啉的不穩定性、自猝滅和水溶性差等固有缺陷限制了它在生物學領域的應用. 近年來，在金屬有機框架（MOFs）中引入卟啉分子或利用卟啉作為有機連接劑構建卟啉金屬有機框架（PMOFs）成為研究焦點. PMOFs既可以克服卟啉的局限性，又兼具卟啉與MOFs各自的獨特性. 文章通過改變反應條件，合成了3種不同形貌特征的鋯基卟啉金屬有機框架PCN-224，這種材料不僅保持了卟啉在紅光照射下產生單線態氧（¹O₂）的特點，還可作為藥物載體，為PMOFs的結構調控和生物學應用提供了新思路.

關鍵詞：?卟啉；?金屬有機框架（MOFs）；?鋯基卟啉金屬有機框架；?載藥；?單線態氧（¹O₂）

中圖分類號：?O 611 ???文獻標志碼：?A ???文章編號：?1000-5137（2024）01-0010-07

Abstract：?Porphyrins are ubiquitous in nature and are of great interest due to their excellent photophysical and electrochemical properties. However，?intrinsic defects of porphyrins，?such as instabilities，?self-quenching，?and poor water solubility，?limit its biological applications. In recent years，?researchers have focused on incorporating porphyrins into metal-organic frameworks（MOFs）?or using them as organic linkers to create porphyrinic metal-organic frameworks（PMOFs）. PMOFs can not only overcome the limitations of porphyrins，?but also combine the unique properties of porphyrins and MOFs. In this work，?three zirconium-based porphyrin metal-organic frameworks PCN-224 with different morphological features were synthesized by varying the reaction conditions. These MOFs not only maintain the characteristic of porphyrin producing singlet oxygen （¹O₂）?under red light irradiation，?but also serves as drug carriers，?providing new ideas for the structural regulation and biological applications of PMOFs.

Key words：?porphyrins；?metal-organic frameworks（MOFs）；?zirconium-based porphyrin metal-organic frameworks；?drug carriers；?singlet oxygen（¹O₂）

0 ?引?言

卟啉（C₂₀H₁₄N₄）是自然界廣泛存在的一類氮-雜環化合物，存在于多種生物分子的活性位點中，參與氧氣（O₂）運輸、光合作用、電子運輸等生命過程^［1］. 卟啉高度共軛的芳香大環結構使其具有優異的化學穩定性和熱穩定性，以及獨特的光物理和電化學性能，在催化、太陽能利用、分子電子學、光化學等領域得到廣泛應用^［2-5］. 但是，卟啉的難溶解、不穩定、易降解和自猝滅等固有缺陷大大限制了其在生物醫學領域的應用^［2］. 為了解決這些問題，人們開發了多種載體，如膠束、脂質體、無機納米顆粒和聚合物納米顆粒等，通過包封、物理吸附或共價結合等方式提高卟啉及其衍生物在生物醫學方面的利用率^［6-9］.

金屬有機框架（MOFs）作為一種由無機金屬和有機配體組成的多孔晶體材料，在氣體儲存與分離、生物分子封裝與運輸、生物傳感等領域得到了深入的應用^［10-12］. 調節金屬基離子/團簇和有機連接劑的種類和配比可以構建不同幾何形狀和功能的MOFs. 卟啉作為一種具有豐富配位活性，能與元素周期表中幾乎所有金屬/類金屬/非金屬形成絡合物，非常容易整合到MOFs中，形成卟啉金屬有機框架（PMOFs）^［13］. PMOFs不僅保留了單個卟啉的獨特性質，如光介導生成活性氧（特別是單線態氧¹O₂）以及熒光性質，還克服了卟啉自聚集和自猝滅的缺點，充分提高了卟啉的理化性能^［14］. 因此，PMOFs在生物學領域展示出了廣闊的應用前景. 近年來，鋯基金屬有機框架納米顆粒PCN-224因其優異的理化性能得到了深入研究. PCN-224配體是光敏劑內消旋-四（4-羧基苯基）卟吩（TCPP），能將O₂轉化成¹O₂，¹O₂對腫瘤細胞有抑制作用，也能殺死細菌；同時，PCN-224的多孔結構可以作為載體，負載生物大分子、無機納米顆粒以及藥物^［2］. 研究發現，PCN-224的理化性質與其形貌密切相關. PARK等^［15］改變反應物的比例，合成了不同粒徑大?。?0，60，90，140和190 nm）的PCN-224，它們在細胞攝取和光動力治療（PDT）方面存在顯著差異. 實驗發現90 nm的PCN-224最容易被細胞攝取，并且PDT效果也最好. 除了改變投料比以外，調控反應溫度和反應時長、攪拌速度等條件同樣會影響納米顆粒的形貌和性質^［16］. 然而，保持投料比不變，改變其他反應條件是否會影響PCN-224的形貌變化尚未報道.

本研究通過改變反應條件（攪拌速度）合成了3種不同形貌的PCN-224，PCN-224能在紅光照射下產生¹O₂，并作為載體負載姜黃素（Cur）. 本研究為調控PMOFs的結構和性能提供了新思路，展示了PMOFs在PDT和藥物運輸方面的應用潛力.

1 ?材料與方法

1.1 材??料

八水氧氯化鋯（ZrOCl₂·8H₂O）、苯甲酸（BA）購于中國上海國藥化學試劑有限公司；TCPP，Cur購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亞砜（DMSO）購于上海泰坦科技股份有限公司；9，10-蒽二基-雙（亞甲基）二甲酸探針（ABDA）購于西格瑪奧德里奇貿易公司（Sigma-Aldrich）；二頸燒瓶購于北京聯華玻璃儀器有限公司.

1.2 實驗儀器

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，DF-101S；離心機，Eppendorf Centrifuge 5424 R；超聲機，XM300UHP；電子天平，BSA124S；動態光散射（DLS）分析儀，Malvern Nano-ZS90；紫外分光光度儀，Shimadzu UV-1800；場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM），Hitachi S-4800.

1.3 實驗方法

1.3.1 PCN-224的合成

稱取0.075 g ZrOCl₂·8H₂O，0.025 g TCPP，0.6 g BA于二頸燒瓶中，加入25 mL DMF，超聲20 min后，攪拌加熱5 h. 反應完成后，離心收集產物，DMF洗滌3次，避光保存^［17-19］.

1.3.2 PCN-224的表征

采用FE-SEM表征PCN-224的形貌，紫外分光光度儀表征PCN-224紫外特征吸收峰.

1.3.3 PCN-224產生¹O₂的測定

ABDA探針配制成質量濃度為1 mg·mL^-1的溶液，再將1 mg·mL^-1ABDA稀釋成20 μg·mL^-1的質量濃度作為對照組，實驗組加入20 μL 100 μg·mL^-1的PCN-224，其他與對照組一樣，660 nm紅光照射30 min后測量其紫外吸收曲線^［20］.

1.3.4 PCN-224產生負載Cur的性能測試

Cur溶解于DMSO（質量濃度為100 μg·mL^-1），PCN-224分散于超純水（質量濃度為100 μg·mL^-1），將PCN-224與Cur按照質量比為1∶1的比例進行吸附，以300 r·min^-1攪拌6 h后得到負載產物，產物可溶解于水.

2 ?結果與討論

2.1 不同粒徑PCN-224的合成和表征

圖1（a）為PCN-224的合成示意圖. 在不改變PCN-224的投料比情況下，改變反應條件和攪拌速度，合成了3種不同形貌的PCN-224，如圖1（b）～1（g）所示. 水浴加熱300 r·min^-1攪拌5 h，合成了粒徑大小約224 nm的長橢球形PCN-224（PCN-224-1），如圖1（b）和1（e）所示；油浴加熱600 r·min^-1攪拌5 h，合成了粒徑大小約73 nm短橢球形的PCN-224（PCN-224-2），如圖1（c）和1（f）所示；油浴加熱1 200 r·min^-1攪拌5 h，合成了粒徑大小約40 nm的球形PCN-224（PCN-224-3），如圖1（d）和1（g）所示. 這表明除了通過調節投料比改變PCN-224的粒徑^{［15，?21］}，還可以通過調控反應條件，比如反應溫度和攪拌速率，顯著改變納米顆粒的形貌. 胡為祖等^［22］通過調控攪拌速度（320，640和1 400 r·min^-1）制備了多種不同形貌的納米四氧化三鐵（Fe₃O₄）顆粒. 李銳等^［23］發現隨著攪拌速率增大，硫酸銨溶液的介穩區寬度變窄，可得到粒度分布均勻的硫酸銨晶體，并且在低飽和溫度下，攪拌速率對介穩區寬度的影響更加明顯. LIU等^［24］發現機械攪拌可以有效地減小黏性二氧化硅（SiO₂）粉末團聚體的尺寸，這是因為所施加的攪拌力延遲了黏性顆粒的起泡開始過程，阻止了大尺寸團聚體的形成. KOYANAGI等^［25］證實了在高速濕法制粒（HSWG）過程中，顆粒大小不僅取決于作為水結合液的表面張力，還受到斬波器轉速的影響，隨著轉速增加，顆粒尺寸顯著減小. 這與實驗結果一致，高溫和高速攪拌可能會提高MOFs的配位能力，使PCN-224粒徑更小、形狀更趨于球形.

同時，運用DLS分析儀檢測了PCN-224分散于水中的粒徑大小和穩定性. 如圖2所示，PCN-224-1，PCN-224-2和PCN-224-3的水合粒徑分別在222，123和72 nm左右. 粒徑大小與粒徑統計數據基本吻合. 同時，3種顆粒的分散系數（PDI）均小于0.300，說明材料具有良好的水分散性和穩定性，有利于在生物醫學方面的應用.

2.2 光激發PCN-224產生¹O₂的性能

卟啉能在特定光照下發生光敏反應，產生¹O₂^［2］. 利用ABDA探針，檢測PCN-224受光激發產生¹O₂的能力. ABDA可以被¹O₂氧化成相應的過氧化物內酯產物，導致其在300～400 nm左右處的4個特征吸收峰降低，如圖3所示^［26］. 與ABDA對照組比較，ABDA與PCN-224-3共孵育體系在660 nm激發30 min后，ABDA探針在300～400 nm處的4個吸收峰都降低，說明PCN-224-3保持了卟啉產生氧自由基的特性，光激發可以產生¹O₂，展示了在PDT（殺菌或抗腫瘤）中的應用潛力.

2.3 PCN-224負載藥物分子的性能

PCN-224作為一種多孔隙的MOFs是生物大分子和小分子藥物的優異運載體. Cur是一種提取于姜黃的多酚活性物質，具有抗菌、消炎和殺傷腫瘤細胞等藥效，但是Cur不溶于水的缺點極大地降低其利用度^［27］. 利用納米顆粒的高比表面或多空隙結構提高非水溶性藥物分子的分散性和利用率是當前最有效的策略^［28-29］. 將PCN-224與Cur按照質量比為1∶1的比例進行吸附，分離得到復合產物PCN-224-Cur. 結果顯示：PCN-224有效地改善了Cur的水溶性，形成姜黃色、透明均一的PCN-224-Cur水溶液，如圖4（a）所示. 紫外可見分光光度檢測顯示吸附Cur后，PCN-224-3的特征吸收峰發生6 nm紅移，證明PCN-224成功負載藥物分子Cur，如圖4（b）所示. PCN與PCN-224-Cur水合粒徑的變化也表明Cur的成功吸附，如圖4（c）所示，并且PCN-224-Cur的水合粒徑在7 d內保持穩定，這說明該納米顆粒具有良好的水分散性和穩定性，在生物應用方面展示了極大的應用潛力，如圖4（d）所示.

3 ?結?論

本研究在保持PCN-224的投料比不變的情況下，改變了攪拌速度，合成了3種不同粒徑的PCN-224，隨著攪拌速度提高，PCN-224粒徑減小. PCN-224不僅可以在660 nm的紅光照射下產生¹O₂，還能作為載體負載Cur形成PCN-224-Cur. PCN-224-Cur具有良好的水分散性和穩定性. 研究表明：PCN-224可以有效改善卟啉在生理條件下的固有缺陷，在保留卟啉光照下產生¹O₂的特性時，凸顯了MOFs材料的多孔結構優勢，在生物學領域展示了廣闊的應用前景.

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（責任編輯：郁慧，包震宇）