锆基卟啉金属有机框架的合成和性质研究

彭龙漩 张凤娟 黄艳 陈楠 吕敏

DOI： 10.3969/J.ISSN.1000-5137.2024.01.002

收稿日期： 2023-11-01

基金項目： 国家自然科学基金（31971310， 32371439）

作者简介： 彭龙漩（1999—）， 女， 硕士研究生， 主要从事锆基卟啉MOFs纳米材料在抗菌等方面的研究. E-mail：stjkqjcx@163.com

* 通信作者： 吕 敏（1984—）， 女， 研究员， 主要从事纳米抗菌与微生物群体感应等方面的研究. E-mail：lvmin@shnu.edu.cn

引用格式： 彭龙漩， 张凤娟， 黄艳， 等. 锆基卟啉金属有机框架的合成和性质研究 ［J］. 上海师范大学学报 （自然科学版中英文）， 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： 卟啉广泛存在于自然界，因其优异的光物理和电化学性能而备受关注. 然而，卟啉的不稳定性、自猝灭和水溶性差等固有缺陷限制了它在生物学领域的应用. 近年来，在金属有机框架（MOFs）中引入卟啉分子或利用卟啉作为有机连接剂构建卟啉金属有机框架（PMOFs）成为研究焦点. PMOFs既可以克服卟啉的局限性，又兼具卟啉与MOFs各自的独特性. 文章通过改变反应条件，合成了3种不同形貌特征的锆基卟啉金属有机框架PCN-224，这种材料不仅保持了卟啉在红光照射下产生单线态氧（¹O₂）的特点，还可作为药物载体，为PMOFs的结构调控和生物学应用提供了新思路.

关键词： 卟啉； 金属有机框架（MOFs）； 锆基卟啉金属有机框架； 载药； 单线态氧（¹O₂）

中图分类号： O 611    文献标志码： A    文章编号： 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）是自然界广泛存在的一类氮-杂环化合物，存在于多种生物分子的活性位点中，参与氧气（O₂）运输、光合作用、电子运输等生命过程^［1］. 卟啉高度共轭的芳香大环结构使其具有优异的化学稳定性和热稳定性，以及独特的光物理和电化学性能，在催化、太阳能利用、分子电子学、光化学等领域得到广泛应用^［2-5］. 但是，卟啉的难溶解、不稳定、易降解和自猝灭等固有缺陷大大限制了其在生物医学领域的应用^［2］. 为了解决这些问题，人们开发了多种载体，如胶束、脂质体、无机纳米颗粒和聚合物纳米颗粒等，通过包封、物理吸附或共价结合等方式提高卟啉及其衍生物在生物医学方面的利用率^［6-9］.

金属有机框架（MOFs）作为一种由无机金属和有机配体组成的多孔晶体材料，在气体储存与分离、生物分子封装与运输、生物传感等领域得到了深入的應用^［10-12］. 调节金属基离子/团簇和有机连接剂的种类和配比可以构建不同几何形状和功能的MOFs. 卟啉作为一种具有丰富配位活性，能与元素周期表中几乎所有金属/类金属/非金属形成络合物，非常容易整合到MOFs中，形成卟啉金属有机框架（PMOFs）^［13］. PMOFs不仅保留了单个卟啉的独特性质，如光介导生成活性氧（特别是单线态氧¹O₂）以及荧光性质，还克服了卟啉自聚集和自猝灭的缺点，充分提高了卟啉的理化性能^［14］. 因此，PMOFs在生物学领域展示出了广阔的应用前景. 近年来，锆基金属有机框架纳米颗粒PCN-224因其优异的理化性能得到了深入研究. PCN-224配体是光敏剂内消旋-四（4-羧基苯基）卟吩（TCPP），能将O₂转化成¹O₂，¹O₂对肿瘤细胞有抑制作用，也能杀死细菌；同时，PCN-224的多孔结构可以作为载体，负载生物大分子、无机纳米颗粒以及药物^［2］. 研究发现，PCN-224的理化性质与其形貌密切相关. PARK等^［15］改变反应物的比例，合成了不同粒径大小（30，60，90，140和190 nm）的PCN-224，它们在细胞摄取和光动力治疗（PDT）方面存在显著差异. 实验发现90 nm的PCN-224最容易被细胞摄取，并且PDT效果也最好. 除了改变投料比以外，调控反应温度和反应时长、搅拌速度等条件同样会影响纳米颗粒的形貌和性质^［16］. 然而，保持投料比不变，改变其他反应条件是否会影响PCN-224的形貌变化尚未报道.

本研究通过改变反应条件（搅拌速度）合成了3种不同形貌的PCN-224，PCN-224能在红光照射下产生¹O₂，并作为载体负载姜黄素（Cur）. 本研究为调控PMOFs的结构和性能提供了新思路，展示了PMOFs在PDT和药物运输方面的应用潜力.

1  材料与方法

1.1 材  料

八水氧氯化锆（ZrOCl₂·8H₂O）、苯甲酸（BA）购于中国上海国药化学试剂有限公司；TCPP，Cur购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）、二甲基亚砜（DMSO）购于上海泰坦科技股份有限公司；9，10-蒽二基-双（亚甲基）二甲酸探针（ABDA）购于西格玛奥德里奇贸易公司（Sigma-Aldrich）；二颈烧瓶购于北京联华玻璃仪器有限公司.

1.2 实验仪器

集热式恒温加热磁力搅拌器，DF-101S；离心机，Eppendorf Centrifuge 5424 R；超声机，XM300UHP；电子天平，BSA124S；动态光散射（DLS）分析仪，Malvern Nano-ZS90；紫外分光光度仪，Shimadzu UV-1800；场发射扫描电子显微镜（FE-SEM），Hitachi S-4800.

1.3 实验方法

1.3.1 PCN-224的合成

称取0.075 g ZrOCl₂·8H₂O，0.025 g TCPP，0.6 g BA于二颈烧瓶中，加入25 mL DMF，超声20 min后，搅拌加热5 h. 反应完成后，离心收集产物，DMF洗涤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，紫外分光光度仪表征PCN-224紫外特征吸收峰.

1.3.3 PCN-224产生¹O₂的测定

ABDA探针配制成质量浓度为1 mg·mL^-1的溶液，再将1 mg·mL^-1ABDA稀释成20 μg·mL^-1的质量浓度作为对照组，实验组加入20 μL 100 μg·mL^-1的PCN-224，其他与对照组一样，660 nm红光照射30 min后测量其紫外吸收曲线^［20］.

1.3.4 PCN-224产生负载Cur的性能测试

Cur溶解于DMSO（质量浓度为100 μg·mL^-1），PCN-224分散于超纯水（质量浓度为100 μg·mL^-1），将PCN-224与Cur按照质量比为1∶1的比例进行吸附，以300 r·min^-1搅拌6 h后得到负载产物，产物可溶解于水.

2  结果与讨论

2.1 不同粒径PCN-224的合成和表征

图1（a）为PCN-224的合成示意图. 在不改变PCN-224的投料比情况下，改变反应条件和搅拌速度，合成了3种不同形貌的PCN-224，如图1（b）～1（g）所示. 水浴加热300 r·min^-1搅拌5 h，合成了粒径大小约224 nm的长椭球形PCN-224（PCN-224-1），如图1（b）和1（e）所示；油浴加热600 r·min^-1搅拌5 h，合成了粒径大小约73 nm短椭球形的PCN-224（PCN-224-2），如图1（c）和1（f）所示；油浴加热1 200 r·min^-1搅拌5 h，合成了粒径大小约40 nm的球形PCN-224（PCN-224-3），如图1（d）和1（g）所示. 这表明除了通过调节投料比改变PCN-224的粒径^{［15， 21］}，还可以通过调控反应条件，比如反应温度和搅拌速率，显著改变纳米颗粒的形貌. 胡为祖等^［22］通过调控搅拌速度（320，640和1 400 r·min^-1）制备了多种不同形貌的纳米四氧化三铁（Fe₃O₄）颗粒. 李锐等^［23］发现随着搅拌速率增大，硫酸铵溶液的介稳区宽度变窄，可得到粒度分布均匀的硫酸铵晶体，并且在低饱和温度下，搅拌速率对介稳区宽度的影响更加明显. LIU等^［24］发现机械搅拌可以有效地减小黏性二氧化硅（SiO₂）粉末团聚体的尺寸，这是因为所施加的搅拌力延迟了黏性颗粒的起泡开始过程，阻止了大尺寸团聚体的形成. KOYANAGI等^［25］证实了在高速湿法制粒（HSWG）过程中，颗粒大小不仅取决于作为水结合液的表面张力，还受到斩波器转速的影响，随着转速增加，颗粒尺寸显著减小. 这与实验结果一致，高温和高速搅拌可能会提高MOFs的配位能力，使PCN-224粒径更小、形状更趋于球形.

同时，运用DLS分析仪检测了PCN-224分散于水中的粒径大小和稳定性. 如图2所示，PCN-224-1，PCN-224-2和PCN-224-3的水合粒径分别在222，123和72 nm左右. 粒径大小与粒径统计数据基本吻合. 同时，3种颗粒的分散系数（PDI）均小于0.300，说明材料具有良好的水分散性和稳定性，有利于在生物医学方面的应用.

2.2 光激發PCN-224产生¹O₂的性能

卟啉能在特定光照下发生光敏反应，产生¹O₂^［2］. 利用ABDA探针，检测PCN-224受光激发产生¹O₂的能力. ABDA可以被¹O₂氧化成相应的过氧化物内酯产物，导致其在300～400 nm左右处的4个特征吸收峰降低，如图3所示^［26］. 与ABDA对照组比较，ABDA与PCN-224-3共孵育体系在660 nm激发30 min后，ABDA探针在300～400 nm处的4个吸收峰都降低，说明PCN-224-3保持了卟啉产生氧自由基的特性，光激发可以产生¹O₂，展示了在PDT（杀菌或抗肿瘤）中的应用潜力.

2.3 PCN-224负载药物分子的性能

PCN-224作为一种多孔隙的MOFs是生物大分子和小分子药物的优异运载体. Cur是一种提取于姜黄的多酚活性物质，具有抗菌、消炎和杀伤肿瘤细胞等药效，但是Cur不溶于水的缺点极大地降低其利用度^［27］. 利用纳米颗粒的高比表面或多空隙结构提高非水溶性药物分子的分散性和利用率是当前最有效的策略^［28-29］. 将PCN-224与Cur按照质量比为1∶1的比例进行吸附，分离得到复合产物PCN-224-Cur. 结果显示：PCN-224有效地改善了Cur的水溶性，形成姜黄色、透明均一的PCN-224-Cur水溶液，如图4（a）所示. 紫外可见分光光度检测显示吸附Cur后，PCN-224-3的特征吸收峰发生6 nm红移，证明PCN-224成功负载药物分子Cur，如图4（b）所示. PCN与PCN-224-Cur水合粒径的变化也表明Cur的成功吸附，如图4（c）所示，并且PCN-224-Cur的水合粒径在7 d内保持稳定，这说明该纳米颗粒具有良好的水分散性和稳定性，在生物应用方面展示了极大的应用潜力，如图4（d）所示.

3  結 论

本研究在保持PCN-224的投料比不变的情况下，改变了搅拌速度，合成了3种不同粒径的PCN-224，随着搅拌速度提高，PCN-224粒径减小. PCN-224不仅可以在660 nm的红光照射下产生¹O₂，还能作为载体负载Cur形成PCN-224-Cur. PCN-224-Cur具有良好的水分散性和稳定性. 研究表明：PCN-224可以有效改善卟啉在生理条件下的固有缺陷，在保留卟啉光照下产生¹O₂的特性时，凸显了MOFs材料的多孔结构优势，在生物学领域展示了广阔的应用前景.

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（責任编辑：郁慧，包震宇）