金属-有机框架（MOF）由于其高孔隙率、高表面积、多种配置和可控的化学结构，在过去十年中一直处于纳米技术研究的前沿。它们是一类快速发展的纳米材料，主要应用于电池、超级电容器、电催化、光催化、传感器、药物输送以及气体分离、吸附和储存。然而MOF由于其化学和机械稳定性低而阻碍了进一步的发展。将MOFs与聚合物混合是解决这些问题的一个很好的解决方案，因为聚合物柔软、灵活、可塑、可处理，可以在基于两种不同组分的混合物中诱导独特的特性，同时保持它们的个性。新加坡南洋理工大学赵彦利教授和中国科学技术大学的汪冬冬教授团队总结了MOF聚合物纳米材料制备的最新进展。相关工作以《Metal-Organic Frameworks Meet Polymers: From Synthesis Strategies to Healthcare Applications》为题于2023年2月28日发表在国际知名期刊《Adv. Mater》上。

图1 MOF-聚合物用于医疗保健应用

本综述旨在探讨MOFs和聚合物集成用于医疗保健应用的最新进展（图1）。首先，通过相关实例讨论了合理设计MOF-聚合物的合成方法。随后，总结了其医学相关的应用，还探讨了如细菌消除、传感、生物医学成像、对活性氧（ROS）和炎症等应用。

1. MOF-聚合物的制备

基于MOF的混合基质膜（MMM）主要用于分离具有相似尺寸和性质的气体，如氧气、氮气、二氧化碳和甲烷，因为它们提高了选择性和渗透性。具有高MOF负载（>40%）的MMM的一个常见缺点是分散性低，为了解决这个问题，Cohen等人使用聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜和多种不同的MOFs，如UiO-66、HKUST-1、MIL-101、MIL-53和ZIF-8，制备了67%-MOF负载的MMMs（图2a）。

由于MOF-聚合物界面缺乏特异性和精确控制，可以利用将聚合物共价附着在MOF表面。聚合物通过特定基团的表面附着极大地影响了它们与周围环境的相互作用，并有助于显示新的特性。Zimpel等人共价修饰了一个含MIL-100（Fe）的铁簇，附加一个羧酸与聚（乙二醇）（PEG）-NH₂和低聚氨基酰胺的双功能连接结合（图2b）。采用荧光光谱法和紫外-可见光谱法测定了表面光栅的范围和数量。这种方法的一个主要优点是，它允许使用各种化学和聚合物表征技术，以有效地验证聚合物的结构和性能。

图2 MOF-聚合物的整合策略

合成后聚合法，也是一种可靠和稳健的方法，以产生具有高聚合物密度的MOF-聚合物杂化物。其他优点包括分子量调整、低分散度指数和水解稳定的结构。在这种方法中，MOF表面通常由聚合类型特定的起始基团功能化。Webley等人通过大单体（聚乙二醇）甲基丙烯酸甲酯（PEGMA）通过溴表面聚合的MOF制备PEG@UiO-66-NH₂（图2c）。

聚合物模上生长MOF法，包括通过各种非共价相互作用，将非离子聚合物等结构导向剂（SDAs）共组装成有序的中尺度阵列。PVP被用来增强与SDAs的配位。在结构中存在多个吡咯烷酮基团可以稳定金属离子。PVP被用作表面活性剂，可以通过配位相互作用连接多个金属离子和光敏剂氯素e6（图2d）。

MOF-聚合物杂化物的制备研究主要是方便MOFs预成型聚合物后修饰。诸如熔体加工、溶液介导的掺入和聚合物自组装以及伴随的MOF生长等技术已被报道。Chen等人通过将蛋白溶液与甲基咪唑部分预混合，然后加入金属盐溶液，制备了PVP包被的BSA@ZIF-8颗粒（BSA：牛血清白蛋白）（图2e）。

自底向上的聚MOF的形成是一种相对非传统的制备MOF-聚合物复合材料的方法，其中聚合物与金属节点配合，而不是以小分子为基础的有机连接剂。聚MOF复合材料最显著的特征是非晶态聚合物作为有机构件的功能。在一种有趣的合成MOF-5（Zn）和UiO-66（Zr）聚MOFs的方法中，Johnson等人分别通过自由基聚合（FRP）和RAFT制备了高分散性和低分散性的聚合物（图2f）。基于FRP的聚合物配体能够形成正确定向的晶体多聚MOFs。

2. MOF-聚合物的应用

化疗是在临床环境中治疗癌症的主要途径之一。纳米级的MOF-聚合物混合物可以作为智能材料来装载和释放药物货物，以响应各种刺激，如pH、离子、温度和光。

光热疗法（PTT）是一种以光为基础的疗法，Chang等人采用一种创新的方法来加速PTT诱导的死亡，设计了PB@PEI/HSP70-p53-GFP（HSP70：热休克蛋白70；GFP：绿色荧光蛋白）用于基因治疗（GT）辅助的PTT。治疗性DNA（HSP-p53-GFP）通过静电相互作用被加载到聚乙烯亚胺修饰的PB上（图3a）。

图3 PB@PEI/pDNA的制备过程与应用结果

光动力疗法（PDT）是另一种基于光的治疗方法，研究人员设计开发了由金属离子、光敏剂和有机桥接配体自组装，形成Mn₃[Fe(CN)₆]₂-Ce6光动力纳米剂，它在酸性TME中表现出pH响应的双重作用。

生物成像技术，可作为诊断工具，用于生物过程和疾病状态的非侵入性可视化和量化。使用MOF-聚合物进行生物医学成像，为成像功能增加了多向功能。生物学上相关的MOFs具有各种金属节点的吸引性能，如直接制备、表面功能化、水稳定性和高表面积，是显示有趣的光学和磁性特性的有力候选材料。此外，聚合物还表现出诸如生物相容性和偶尔出现的固有成像能力等特性（图4）。

图4 为生物医学成像开发的SSNEs和Au@MIL-88(Fe)的治疗效果评价

生物医学传感。MOFs连接体上的悬垂键作为与分析物氢键电催化还原/氧化的锚，而分析物的芳香单元和导电聚合物之间的π-π相互作用有助于选择性地检测分析物。因此，MOF-聚合物具有独特的优势，如具有丰富的表面积来有效固定生物分子和分析物分子的扩散。聚合物易于调节的疏水性可以提高MOFs对固定化酶的稳定性和反应性。此外，在MOFs中引入聚合物可以通过促进电催化位点的产生来提高电极的电导率，从而提高灵敏度和响应时间。

抗菌策略。MOF-聚合物体系作为一类新型的抗菌剂，具有一定的优点：1)MOFs的多个金属中心，如Ag、Cu、Ni和Zn，具有杀菌作用。2)MOF-聚合物体系的高度可调节的孔径可以封装不同分子量的抗菌剂。3)卟啉基有机连接物可用于激活PDT，从而通过ROS生成消融细菌细胞等（图5）。

图5 具有抗菌性的MOF-聚合物体系的应用

抗氧化和抗炎。受天然酶的启发，Ma等人通过铁酞菁包封的ZIF-8热解以清除ROS，制备了铁单原子锚定的N掺杂多孔碳（Fe-SAs/NC）。在另一项研究中，Li等人使用F127和PEO₁₀₆PPO₇₀PEO₁₀₆作为模板剂，制备了分层微孔基于zr的UiO-66-NH₂，用于开发仿生抗氧化防御系统（图6）。

图6 MOF-聚合物体系用于仿生抗氧化抗炎

环境保护。自工业革命和全球化以来，全球气候已经严重恶化。人类和其他物种面临着许多由空气和水污染引起的问题。Wang等人开发了一系列基于ZIF-8、UiO-66-NH2、MOF-199和Mg-MOF-74的MOF过滤器，以及聚丙烯腈（PAN）、PS和PVP等聚合物。利用具有电压、溶液流速等可调参数的静电纺丝技术，将含有聚合物的MOFs纺丝成纤维垫层。ZIF-8/PAN和UiO-66-NH2/PAN对空气污染物PM和SO₂分别具有较强的有效性。

尽管面临若干挑战， MOF和聚合物的合理设计和整合使该领域仍具有巨大潜力。未来的持续努力、创新战略和尖端技术将推动MOF–聚合物混合化学的激动人心的前沿。

文章来源：

https://doi.org/10.1002/adma.202300700