鋯基卟啉金屬有機(jī)框架的合成和性質(zhì)研究
2024-04-12 10:48:33彭龍漩張鳳娟黃艷陳楠呂敏
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(xiàng)目：?國(guó)家自然科學(xué)基金（31971310，?32371439）
作者簡(jiǎn)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(yīng)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(jī)框架的合成和性質(zhì)研究?［J］. 上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)?（自然科學(xué)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(yōu)異的光物理和電化學(xué)性能而備受關(guān)注. 然而，卟啉的不穩(wěn)定性、自猝滅和水溶性差等固有缺陷限制了它在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用. 近年來(lái)，在金屬有機(jī)框架（MOFs）中引入卟啉分子或利用卟啉作為有機(jī)連接劑構(gòu)建卟啉金屬有機(jī)框架（PMOFs）成為研究焦點(diǎn). PMOFs既可以克服卟啉的局限性，又兼具卟啉與MOFs各自的獨(dú)特性. 文章通過(guò)改變反應(yīng)條件，合成了3種不同形貌特征的鋯基卟啉金屬有機(jī)框架PCN-224，這種材料不僅保持了卟啉在紅光照射下產(chǎn)生單線態(tài)氧（1O2）的特點(diǎn)，還可作為藥物載體，為PMOFs的結(jié)構(gòu)調(diào)控和生物學(xué)應(yīng)用提供了新思路.
關(guān)鍵詞：?卟啉；?金屬有機(jī)框架（MOFs）；?鋯基卟啉金屬有機(jī)框架；?載藥；?單線態(tài)氧（1O2）
中圖分類號(hào)：?O 611 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼：?A ???文章編號(hào)：?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(huán)化合物，存在于多種生物分子的活性位點(diǎn)中，參與氧氣（O2）運(yùn)輸、光合作用、電子運(yùn)輸?shù)壬^(guò)程［1］. 卟啉高度共軛的芳香大環(huán)結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，以及獨(dú)特的光物理和電化學(xué)性能，在催化、太陽(yáng)能利用、分子電子學(xué)、光化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［2-5］. 但是，卟啉的難溶解、不穩(wěn)定、易降解和自猝滅等固有缺陷大大限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用［2］. 為了解決這些問(wèn)題，人們開(kāi)發(fā)了多種載體，如膠束、脂質(zhì)體、無(wú)機(jī)納米顆粒和聚合物納米顆粒等，通過(guò)包封、物理吸附或共價(jià)結(jié)合等方式提高卟啉及其衍生物在生物醫(yī)學(xué)方面的利用率［6-9］.
金屬有機(jī)框架（MOFs）作為一種由無(wú)機(jī)金屬和有機(jī)配體組成的多孔晶體材料，在氣體儲(chǔ)存與分離、生物分子封裝與運(yùn)輸、生物傳感等領(lǐng)域得到了深入的應(yīng)用［10-12］. 調(diào)節(jié)金屬基離子/團(tuán)簇和有機(jī)連接劑的種類和配比可以構(gòu)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(luò)合物，非常容易整合到MOFs中，形成卟啉金屬有機(jī)框架（PMOFs）［13］. PMOFs不僅保留了單個(gè)卟啉的獨(dú)特性質(zhì)，如光介導(dǎo)生成活性氧（特別是單線態(tài)氧1O2）以及熒光性質(zhì)，還克服了卟啉自聚集和自猝滅的缺點(diǎn)，充分提高了卟啉的理化性能［14］. 因此，PMOFs在生物學(xué)領(lǐng)域展示出了廣闊的應(yīng)用前景. 近年來(lái)，鋯基金屬有機(jī)框架納米顆粒PCN-224因其優(yōu)異的理化性能得到了深入研究. PCN-224配體是光敏劑內(nèi)消旋-四（4-羧基苯基）卟吩（TCPP），能將O2轉(zhuǎn)化成1O2，1O2對(duì)腫瘤細(xì)胞有抑制作用，也能殺死細(xì)菌；同時(shí)，PCN-224的多孔結(jié)構(gòu)可以作為載體，負(fù)載生物大分子、無(wú)機(jī)納米顆粒以及藥物［2］. 研究發(fā)現(xiàn)，PCN-224的理化性質(zhì)與其形貌密切相關(guān). PARK等［15］改變反應(yīng)物的比例，合成了不同粒徑大小（30，60，90，140和190 nm）的PCN-224，它們?cè)诩?xì)胞攝取和光動(dòng)力治療（PDT）方面存在顯著差異. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)90 nm的PCN-224最容易被細(xì)胞攝取，并且PDT效果也最好. 除了改變投料比以外，調(diào)控反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、攪拌速度等條件同樣會(huì)影響納米顆粒的形貌和性質(zhì)［16］. 然而，保持投料比不變，改變其他反應(yīng)條件是否會(huì)影響PCN-224的形貌變化尚未報(bào)道.
本研究通過(guò)改變反應(yīng)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(chǎn)生1O2，并作為載體負(fù)載姜黃素（Cur）. 本研究為調(diào)控PMOFs的結(jié)構(gòu)和性能提供了新思路，展示了PMOFs在PDT和藥物運(yùn)輸方面的應(yīng)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(gòu)于中國(guó)上海國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；TCPP，Cur購(gòu)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(gòu)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(gòu)于西格瑪奧德里奇貿(mào)易公司（Sigma-Aldrich）；二頸燒瓶購(gòu)于北京聯(lián)華玻璃儀器有限公司.
1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，DF-101S；離心機(jī)，Eppendorf Centrifuge 5424 R；超聲機(jī)，XM300UHP；電子天平，BSA124S；動(dòng)態(tài)光散射（DLS）分析儀，Malvern Nano-ZS90；紫外分光光度儀，Shimadzu UV-1800；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM），Hitachi S-4800.
1.3 實(shí)驗(yàn)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(yīng)完成后，離心收集產(chǎn)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(chǎn)生1O2的測(cè)定
ABDA探針配制成質(zhì)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(zhì)量濃度作為對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組加入20 μL 100 μg·mL-1的PCN-224，其他與對(duì)照組一樣，660 nm紅光照射30 min后測(cè)量其紫外吸收曲線［20］.
1.3.4 PCN-224產(chǎn)生負(fù)載Cur的性能測(cè)試
Cur溶解于DMSO（質(zhì)量濃度為100 μg·mL-1），PCN-224分散于超純水（質(zhì)量濃度為100 μg·mL-1），將PCN-224與Cur按照質(zhì)量比為1∶1的比例進(jìn)行吸附，以300 r·min-1攪拌6 h后得到負(fù)載產(chǎn)物，產(chǎn)物可溶解于水.
2 ?結(jié)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(yīng)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(zhǎng)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(guò)調(diào)節(jié)投料比改變PCN-224的粒徑［15，?21］，還可以通過(guò)調(diào)控反應(yīng)條件，比如反應(yīng)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(guò)調(diào)控?cái)嚢杷俣龋?20，640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(fā)現(xiàn)隨著攪拌速率增大，硫酸銨溶液的介穩(wěn)區(qū)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(duì)介穩(wěn)區(qū)寬度的影響更加明顯. LIU等［24］發(fā)現(xiàn)機(jī)械攪拌可以有效地減小黏性二氧化硅（SiO2）粉末團(tuán)聚體的尺寸，這是因?yàn)樗┘拥臄嚢枇ρ舆t了黏性顆粒的起泡開(kāi)始過(guò)程，阻止了大尺寸團(tuán)聚體的形成. KOYANAGI等［25］證實(shí)了在高速濕法制粒（HSWG）過(guò)程中，顆粒大小不僅取決于作為水結(jié)合液的表面張力，還受到斬波器轉(zhuǎn)速的影響，隨著轉(zhuǎn)速增加，顆粒尺寸顯著減小. 這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，高溫和高速攪拌可能會(huì)提高M(jìn)OFs的配位能力，使PCN-224粒徑更小、形狀更趨于球形.
同時(shí)，運(yùn)用DLS分析儀檢測(cè)了PCN-224分散于水中的粒徑大小和穩(wěn)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基本吻合. 同時(shí)，3種顆粒的分散系數(shù)（PDI）均小于0.300，說(shuō)明材料具有良好的水分散性和穩(wěn)定性，有利于在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用.
2.2 光激發(fā)PCN-224產(chǎn)生1O2的性能
卟啉能在特定光照下發(fā)生光敏反應(yīng)，產(chǎn)生1O2［2］. 利用ABDA探針，檢測(cè)PCN-224受光激發(fā)產(chǎn)生1O2的能力. ABDA可以被1O2氧化成相應(yīng)的過(guò)氧化物內(nèi)酯產(chǎn)物，導(dǎo)致其在300～400 nm左右處的4個(gè)特征吸收峰降低，如圖3所示［26］. 與ABDA對(duì)照組比較，ABDA與PCN-224-3共孵育體系在660 nm激發(fā)30 min后，ABDA探針在300～400 nm處的4個(gè)吸收峰都降低，說(shuō)明PCN-224-3保持了卟啉產(chǎn)生氧自由基的特性，光激發(fā)可以產(chǎn)生1O2，展示了在PDT（殺菌或抗腫瘤）中的應(yīng)用潛力.
2.3 PCN-224負(fù)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(yōu)異運(yùn)載體. Cur是一種提取于姜黃的多酚活性物質(zhì)，具有抗菌、消炎和殺傷腫瘤細(xì)胞等藥效，但是Cur不溶于水的缺點(diǎn)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(jié)構(gòu)提高非水溶性藥物分子的分散性和利用率是當(dāng)前最有效的策略［28-29］. 將PCN-224與Cur按照質(zhì)量比為1∶1的比例進(jìn)行吸附，分離得到復(fù)合產(chǎn)物PCN-224-Cur. 結(jié)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(jiàn)分光光度檢測(cè)顯示吸附Cur后，PCN-224-3的特征吸收峰發(fā)生6 nm紅移，證明PCN-224成功負(fù)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(nèi)保持穩(wěn)定，這說(shuō)明該納米顆粒具有良好的水分散性和穩(wěn)定性，在生物應(yīng)用方面展示了極大的應(yīng)用潛力，如圖4（d）所示.
3 ?結(jié)?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(chǎn)生1O2，還能作為載體負(fù)載Cur形成PCN-224-Cur. PCN-224-Cur具有良好的水分散性和穩(wěn)定性. 研究表明：PCN-224可以有效改善卟啉在生理?xiàng)l件下的固有缺陷，在保留卟啉光照下產(chǎn)生1O2的特性時(shí)，凸顯了MOFs材料的多孔結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，在生物學(xué)領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景.
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（責(zé)任編輯：郁慧，包震宇）
