【晶体工程】MOFs核壳封装材料实现多组分客体的编程释放

来源：X一MOL资讯

金属有机框架（MOFs）是由有机配体和金属离子或团簇通过配位自组装形成的晶态框架网络材料。相比于传统的药物载体（聚合物或聚合物纳米粒），MOFs拥有高比表面积和可调的孔结构，更有利于装载一系列的药物或生物分子。由于这些优良的特性，其作为新一代的药物载体正展现着非凡的潜力并得到了研究者们的广泛关注。

2010年，Stoddart爵士通过有机大环γ-环糊精（γ-CD）和钾离子配位开发出了一类新型的生物相容性MOFs，即环糊精金属有机框架（CD-MOFs）。CD-MOFs同时具备γ-CD的空腔结构和MOFs的笼结构，拥有极其丰富的主体环境来装载多种客体分子，尤其是药物分子；在前期研究中，CD-MOFs可以进行有效的药物吸附和释放，充分展示了其作为药物载体的潜质（Chem. Commun., 2017, 53, 9246-9249; Int. J. Pharm., 2016, 514, 212-219; Nanoscale, 2017, 9, 7454-7463.）。

尽管如此，目前的研究还远远不够；因为我们需要大量的释放曲线来应对现实医疗中的种种情况（不同种类型的疾病、个体之间的生物学差异以及药物与机体内其他物质的不同反应）。因此，设计一种可编程的方法来构建特定的药物载体，以实现个性化和精确的药物治疗为大势所趋。为此，天津大学龚俊波教授团队在前期工作（Chem. Mater., 2019, 31, 1289-1295.）的基础上，构建了一系列具有同源核壳结构的CD-MOFs样品并通过它们实现了客体组分的编程释放。以主客体化学的角度，核壳结构CD-MOFs的核心和壳层区别于是否有客体分子封装或不同的客体分子封装。通过简单易行的设计，不同核壳结构的CD-MOFs可以实现单组分的延迟释放和双峰释放以及双组分的顺序释放：这些都是药物释放系统中的基本策略，也为今后搭建更为复杂的客体编程释放系统奠定了基础。文章发表于ACS Appl. Mater. Interfaces，文章的第一作者是天津大学博士研究生陈艺夫。

文中使用紫外染料罗丹明B（RhB）和亚甲基蓝（MB）作为模型客体（图1）。这两种染料分子尺寸合适、可溶于水、颜色分明且拥有互不重叠的特征吸收峰，便于观察核壳结构及对释放曲线进行定量监测。

图 1. RhB、MB和γ-CD的化学结构式及CD-MOFs的晶体学结构。

文中通过染料与CD-MOFs共结晶的方法制备了封装染料的CD-MOFs样品CD-MOF⊃RhB和CD-MOF⊃MB，通过晶种外延生长法制备了核壳结构的样品CD-MOF⊃N@RhB、CD-MOF⊃RhB@N@RhB和CD-MOF⊃MB@RhB（“N”表示该层不封装染料，核壳结构统一标记为“壳层@核心”）。

图 2. 封装染料的CD-MOFs和核壳结构的CD-MOFs制备流程示意图（上方）及所得样品的显微镜照片（下方），分别是（a）纯CD-MOF、（b）CD-MOF⊃RhB、（c）CD-MOF⊃MB、（d）CD-MOF⊃N@RhB、（e）CD-MOF⊃RhB@N@RhB和（f）CD-MOF⊃MB@RhB（壳层@核心）。

作者期望核壳结构CD-MOFs中客体组分的释放顺序与它们的封装顺序相反。他们通过测定溶液的吸光度来表征溶剂中客体组分释放的动态过程。染料的标准化释放（NR）随时间（t）呈S型曲线，其释放速率可表述为NR随t的一阶导数，即d(NR)/dt。CD-MOF⊃RhB表现出了在水、乙醇及其混合溶剂中可调变的染料释放速率。随着乙醇浓度的增加，染料释放速率变慢；在水中5分钟内即可完成释放，在乙醇中几乎没有任何释放（图3a）。因此，他们选定了适当的水醇比（水体积75%）来表征释放过程——目的是使染料在20分钟到60分钟之间释放完全，以获得更多、更平稳的测量点进行曲线拟合。CD-MOF⊃N@RhB表现出延迟释放的特征，外层不封装染料的CD-MOFs先溶解，之后内层结构溶解并伴随着染料释放（图 3b）；CD-MOF⊃RhB@N@RhB表现出了双峰释放的特征，刚开始染料释放速率缓慢，之后持续释放了一段时间，再有第二段的快速释放（图3c）；CD-MOF⊃MB@RhB实现了双组分染料客体的顺序释放，壳层封装的MB先释放，一段时间后在核心封装的RhB开始释放（图3d）。由此可见，在晶体溶解时客体组分的释放顺序与从溶液中逐层生长核壳结构晶体时的封装顺序恰好相反。基于这个简单的原理，作者认为借助相应的核壳结构预设计，可以在这个体系中实现更为复杂的客体组分编程释放行为。

图 3. 不同样品的释放曲线。（a）CD-MOF⊃RhB在水、乙醇和二元混合溶剂中释放。（b）CD-MOF⊃RhB、（c）CD-MOF⊃RhB@N@RhB和（d）CD-MOF⊃MB@RhB在二元混合溶剂中（水占75%，体积分率）释放。其中实验数据点和拟合曲线（Logistic模型）用浅色，释放速率曲线d（NR）/dt用深色。

此项研究工作扩展了核壳结构MOFs的应用领域。作者希望借此激励研究者们进一步地开发多功能同源核壳结构，以助于生物应用。