金屬有機框架材料固定化酶的研究進展

馮小倩，徐 晴，張立慧，汪振炯

(1. 南京工業(yè)大學 生物與制藥工程學院， 江蘇 南京 211800，2. 南京曉莊學院 食品科學學院， 江蘇 南京 211171)

天然酶在溫和條件下具有高催化活性、選擇性和特異性，所以酶催化在化學、制藥和食品工業(yè)中的應用非常廣泛。但是，由于酶的操作穩(wěn)定性低、難以回收以及缺乏可重復使用性，所以酶在工業(yè)領域的應用受到限制。載體固定化酶技術可以在一定程度上解決以上難題，目前用于固定化的載體主要分為有機載體[1-6](殼聚糖及其衍生物、大孔樹脂等)和無機載體[7-9](硅藻土、分子篩等)兩大類，但它們普遍存在著載體負載量低、固定后酶催化活性不高、酶的三維構象易改變等問題。因此，探尋優(yōu)質的固定化載體[10]一直是固定化酶的研究熱點。

金屬有機框架材料(MOFs)是由金屬離子(簇)和有機配體通過配位自組裝形成的具有內孔隙的新型材料，具有比表面積高、形狀有序可控和生物相容性好等優(yōu)點，被認為是酶固定化的理想材料。近年來，人們將MOFs作為固定化酶的載體材料，使得酶在極端反應條件(強酸、強堿、高溫)及有機試劑[11]、高鹽濃縮物[12]和表面活性劑等[13]存在的條件下，甚至經過長時間儲存后，依然具有優(yōu)異的催化性能。因此，本文概述了近年來MOFs作為基質在固定化酶領域中的應用，通過典型案例的分析介紹其固定化策略與影響酶固定化效果的主要因素，系統(tǒng)介紹了其在生物催化、生物降解和生物醫(yī)藥等領域的研究進展，并且提出了該技術現(xiàn)存的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展的趨勢。

1 固定化方法

在過去的幾十年里，金屬有機框架一直是學者研究的熱點[14-16]。雖然固定化封裝策略較多，但是根據(jù)酶與MOFs基質間的結合機制一般分為表面固定化[17]、孔道擴散[18]以及仿生礦化[19]。

1.1 表面固定化

圖1 表面固定化Fig.1 Surface immobilization

1.2 孔道擴散

MOFs是一種具有超高孔隙率和表面積的框架結構，除了可以將酶吸附在MOFs表面外，還可以固定于MOFs的孔道中。Lyu等[31]將負載細胞色素酶的Cyt c/ZIF-8和未負載酶的ZIF-8材料同時在325 ℃的條件下煅燒，煅燒后Cyt c/ZIF-8復合材料的透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)分析顯示，復合材料內部存在大小為5～20 nm的小腔，而ZIF-8并未出現(xiàn)此類小腔，因此可以確定蛋白質分子嵌入ZIF-8晶體孔道結構中。與表面固定相比，由于MOFs更有效地保護酶，減少酶分子聚集，所以孔道擴散策略顯著提高在惡劣條件下酶的穩(wěn)定性與催化活性(圖2)。Li等[32]將有機磷酸脫水酶(OPAA)分散在整個MOFs孔道中，SEM分析發(fā)現(xiàn)硫沿著鋯MOFs(PCN-128y)單晶均勻分布，這進一步證實OPAA的固定化呈孔道擴散效應。Chen等[33]為了研究辣根過氧化物酶(HRP)在PCN-333(Fe)(耐水金屬有機框架)中的分布，先使用異硫氰酸熒光素(FITC)標記HRP，再對FITC-HRP進行封裝，利用熒光顯微鏡分析可以清晰看到FITC-HRP分子均勻分布并分散在整個PCN-333(Fe)中。Shieh等[34]將過氧化氫酶(CAT)嵌入ZIF-90后，經分析發(fā)現(xiàn)，總孔體積相較ZIF-90顯著變小，證明了CAT@ZIF-90為內嵌孔道式固定化。為了進一步確認過氧化氫酶分子確實嵌入ZIF-90晶體中并且不能通過洗滌除去，Shieh等[34]又進行了完全表面固定化酶和內嵌固定化酶的對照實驗，將兩組樣品經酸消化后洗滌，并進行十二烷基硫酸鈉(SDS)-聚丙烯酰胺凝膠電泳后發(fā)現(xiàn)，吸附在外表面的過氧化氫酶分子可以輕易去除，而大部分內嵌式固定化的酶依然保留在ZIF-90中。

總之，與表面固定化相比，孔道擴散固定化的酶具有更優(yōu)異的性能，這是因為MOFs的多孔特性為內嵌的酶分子提供了充分的保護，避免了酶的團聚和被浸出，因此催化活性顯著提高[35]。

圖2 孔道擴散Fig.2 Channel diffusion

1.3 仿生礦化(原位封裝、共沉淀法)

對于小分子酶的固定化，主要以表面固定化和孔道擴散為主。但是當酶分子較大時，這兩種方法就不可避免地出現(xiàn)了酶分子易洗脫和MOFs孔道負載率低的缺點。為解決這些問題，一種新型的固定化方法——仿生礦化被開發(fā)出來。當氨基酸、DNA和蛋白質等生物大分子被添加到含鋅鹽和2-甲基咪唑的水溶液中時，會迅速形成具有生物大分子依賴性形態(tài)的ZIF-8顆粒。這種制備方法因其與天然生物礦化過程相似而被稱為“仿生礦化”[36]，如圖3所示。

圖3 仿生礦化Fig.3 Bionic mineralization

在室溫條件下，以嗜熱脂肪酶(QLM)作為ZIF-8前體的內核，將ZnO、2-甲基咪唑、QLM和乙醇在瑪瑙研缽中研磨10 min，得到的QLM@ZIF-8是利用仿生礦化合成MOFs的代表[37]。Wang等[38]通過共沉淀法將Ni和Pd空心納米顆粒及葡萄糖氧化酶(GOx)同時固定在ZIF-8上，制備出的GOx@ZIF-8(NiPd)納米花不僅使NiPd空心納米粒子表現(xiàn)出過氧化物酶樣活性，而且還保持了GOx的酶活性。Chen等[35]通過富含Cys的蛋白質與金屬陽離子之間的配位作用來積累金屬陽離子(Zn2+)，將多種蛋白質共包封到MOFs中，這一方法加速了預核簇的形成以及蛋白質周圍MOFs的生成，并具有超高的負載率(>96%)，即使在惡劣的條件(如，存在蛋白酶或化學試劑的情況下或高溫下)，被包封的酶仍可以保持其三維結構并顯示出色的生物活性(62.8%)。Gascon等[39]選擇大分子的酶——β-葡萄糖苷酶(β-Glu)來比較合成后固定和原位固定兩種方法后發(fā)現(xiàn)，原位固定的生物復合材料的酶負載量可達到85%及以上，是合成后固定方法的3倍，并且具有更高的催化活性和更少的酶泄露(5%)；原位固定的裝載方法甚至在非水的酶介質(N，N-二甲基甲酰胺)中孵育24 h也有0.07 U/mg的比酶活，而純酶提取物則為0。Du等[40]將過氧化氫酶(CAT)納米膠囊(nCAT)(通過原位聚合技術封裝在聚合物納米膠囊中的酶)與MOFs相結合，合成了nCAT@ZIF-8復合材料并進行表征，結果發(fā)現(xiàn)，nCAT@ZIF-8具有良好的熱穩(wěn)定性(65 ℃孵育60 min，可以保留其原始活性的78.79%)、可重復使用性(回收10次后，可以保留其原始活性的87.12%)和存儲穩(wěn)定性(存儲28 d后，可以保留原始活性的95.96%)?？傊?，這種新型的固定化策略打破了MOFs小孔徑所帶來的限制，使酶@MOFs種類更具多樣化。

2 影響酶固定化效果的主要因素

在對MOFs固定化酶的研究中，人們發(fā)現(xiàn)MOFs納米材料的尺寸、孔徑大小和形態(tài)都可以被有目的地調節(jié)優(yōu)化，并且優(yōu)化后的酶@MOFs材料具有更好的性能。

2.1 合成體系的影響

ZIF-8[41]作為酶固定化的典型功能性材料已被廣泛研究多年，ZIF-8的晶體大小和形態(tài)受到不同鋅源的影響非常顯著[42]。Schejn等[42]研究發(fā)現(xiàn)，用反應性鋅鹽如乙酸鋅、Zn(NO3)2、乙酸鋅或Zn(ClO4)2可以合成50～200 nm的復合材料；而ZnCl2、乙酸鋅或ZnI2則可以合成尺寸為350～650 nm的復合材料；由Zn(NO3)2合成的小尺寸ZIF-8晶體表面積最大(1 700 m2/g)，催化活性最好。除Zn2+外，Cu2+和Co2+作為活性中心對ZIF-8的晶體形貌和性能也存在影響[43]。Zhang等[44]首先使用了HKUST-1(Cu-MOF)來封裝漆酶(銅粒子作為漆酶的輔助因子，有激活漆酶的作用)，結果發(fā)現(xiàn)：HKUST-1是一種具有花狀結構的高比表面積的外殼，可保護漆酶在不同劣性環(huán)境中進行催化反應；被HKUST-1外殼保護的漆酶pH穩(wěn)定性(pH 3.0時保持其最大酶活的78.7%±0.9%)、熱穩(wěn)定性(60 ℃)和儲存穩(wěn)定性(儲存30 d后保持其最大活性的80%)都明顯提高。而Wang等[38]也證實了Ni和Pd同樣可以同于ZIF-8晶體的合成，所獲得的納米花結構形ZIF-8可作為檢測葡萄糖的新型電化學傳感器。Cui等[45]研究2-甲基咪唑(mIm)濃度對MOFs復合材料微觀形貌的影響時發(fā)現(xiàn)：當mIm的濃度為0.3～0.5 mol/L時，會出現(xiàn)納米片；而mIm的濃度增加到0.6～0.8 mol/L時，會導致十字形的花狀納米結構的形成。金屬離子和有機連接劑作為MOFs的兩個主要成分，主要負責MOFs的微觀形貌和主要性能，這也是影響酶@MOFs復合物催化性能的關鍵[43]。

2.2 酶分子

Liu等[46]系統(tǒng)地研究了ZIF-8的吸附特性，利用不同大小的蛋白質，包括溶菌酶(LZM，4.5 nm×3 nm×3 nm，橢圓形)、人血清白蛋白(BSA，4.0 nm×4.0 nm×14.0 nm，橢圓形)和牛血紅蛋白(BHb，直徑約5 nm)為研究對象，結果發(fā)現(xiàn)：LZM在ZIF-8上的吸附最快，最大吸附容量為376.5 mg/g；而BSA和BHb最大吸附容量分別為70.3和179.6 mg/g，這表明隨著分子截斷效應的增加，吸附能力隨蛋白質大小的增加而降低。Liang等[47]發(fā)現(xiàn)，生成的MOFs晶體的形態(tài)、大小和顆粒數(shù)量在很大程度上還取決于氨基酸側鏈的化學性質：非極性、極性中性、極性負性和極性正性，有4種氨基酸(Lys、His、Arg和Tyr)無法形成MOFs顆粒，這歸因于它們具有的高正電荷會與Zn2+產生競爭；帶有非極性側鏈的氨基酸疏水性的增加可誘導ZIF-8形態(tài)從球狀轉變?yōu)榱庑问骟w，然后變?yōu)槎痰牧⒎襟w；而具有芳香族側鏈的氨基酸僅誘導短的立方ZIF-8顆粒的形成；在極性中性氨基酸的情況下，以羥基終止的側鏈也誘導形成具有立方形態(tài)的ZIF-8顆粒，帶負電荷的氨基酸誘導形成具有窄尺寸分布的球形ZIF-8顆粒[48]。該研究揭示了酶分子在蛋白質封裝過程中的關鍵作用，對于復合材料的成核、生長和組裝至關重要[49]。

2.3 外源物質添加的影響

近年來，人們逐漸發(fā)現(xiàn)添加一些外源物質并調節(jié)其用量同樣對MOFs的形貌和性能有著顯著影響。Zhu等[50]選擇具有表面富氧官能團的氧化石墨烯(GO)合成ZIF-8/GO納米復合材料用于Cyt c固定，結果發(fā)現(xiàn)：ZIF-8顆粒的尺寸隨GO的含量增高而減小，石墨烯片材上固載的ZIF-8粒子的數(shù)量隨著GO含量的增加而增加；另外，他們還發(fā)現(xiàn)石墨烯表面上的官能團參與ZIF-8的生長但不影響其晶體結構；ZIF-8/GO固載的Cyt c的儲存穩(wěn)定性和對有機溶劑的抗性明顯提高，Cyt c@ZIF-8/GO在儲存60 h后幾乎沒有蛋白質滲漏，在乙醇和丙酮中保存2 h后仍能保留接近100%的活性，而游離Cyt c只有10%和50%。最重要的是，Cyt c@ZIF-8/GO可以使用多達4個周期而幾乎沒有活性損失。Du等[51]首次制備了基于酶@SiO2納米花@金屬-有機框架(Enzyme@SNF@ZIF-8)結構的新型集成納米生物催化劑系統(tǒng)，結果發(fā)現(xiàn)，可以通過改變ZIF-8涂覆周期的數(shù)量來控制微孔ZIF-8層數(shù)，從而產生具有不同ZIF-8層厚度的Enzyme@SNF@ZIF-8納米生物催化劑，并且力學和化學穩(wěn)定性都有所提高。Song等[52]首次設計了一種DNA支架將 HRP和GOx進行交聯(lián)，并將多酶系統(tǒng)成功地封裝到ZIF-8中的策略。這種策略所制備的包囊多酶可有效抑制酶從MOFs骨架中浸出，其浸出量相比傳統(tǒng)MOFs包埋策略的結果低10倍以上，并且DNA支架網絡也提高了級聯(lián)酶的鄰近性和共定位性，從而顯著提高了整體催化效率、酶活和動力學性能。Cutrone等[53]針對先天免疫系統(tǒng)對MOFs的識別和清除的問題，利用由葡聚糖(DEX)制成的新型梳狀共聚物接枝2種聚乙二醇(PEG)和阿侖膦酸鹽(ALN9)來包覆MOFs，結果發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定的DEX-ALN-PEG涂層在體外可顯著降低巨噬細胞的內在化，減少了MOFs的降解。Liang等[11]使用單糖、寡糖以及多糖來研究ZIF-8的仿生礦化時發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)糖類不能誘導MOFs的形成，只有少量—COO側鏈的堿性單糖可以誘導MOFs顆粒的形成；不過，纖維素可以用作功能性基底，有效地使纖維素周圍的MOFs涂層結晶，而不需要表面官能化。

據(jù)報道，不僅蛋白質、碳水化合物、核酸[52,54]可以用作仿生礦化劑，還有一些精細化學品也可以用作仿生礦化劑。不僅如此，Zheng等[55]還證明表面活性劑也可以應用于MOFs結構的合成，當使用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和三羥甲基氨基甲烷(TRIS)分子作為封端劑調節(jié)時，可以減慢晶體的生長速度；當CTAB分子優(yōu)先吸附到晶面時，導致ZIF-8具有立方形態(tài)，而TRIS分子則優(yōu)先穩(wěn)定了晶面并產生具有八面體形態(tài)的納米晶體。但是，2種封端劑的存在都會導致納米晶體具有不規(guī)則形狀和較高折射率的刻面，如六足動物和毛刺拼圖。

3 MOFs在固定化酶中的應用研究

3.1 酶學性質的增強

增強功能性酶分子的催化活性、穩(wěn)定性、選擇性和可重復使用性是生物技術中的一項關鍵挑戰(zhàn)，特別是在苛刻的實際應用條件下，通過高度有序的MOFs構架對天然酶進行保護，這些改進的性能將使其成為在現(xiàn)代化學和生物工藝應用中的潛在候選者。

通常，固定在MOFs上的酶比游離狀態(tài)的酶表現(xiàn)出更好的催化活性[56]。Chen等[35]開發(fā)了一種新的氨基酸嵌入策略，將該策略封裝的HRP@ZIF-8和游離HRP分別暴露于胰蛋白酶中，其中HRP@ZIF-8可保留處理之前86.7%的生物活性，而游離HRP的生物活性降低到之前的22.4%，這種差異表明ZIF-8的微孔結構能夠排除胰蛋白酶，從而保護HRP免受水解；此外，將HRP@ZIF-8在100 ℃下暴露在有機溶劑二甲基甲酰胺(DMF)中，仍保留約62.8%的生物活性，而游離HRP并無活性。Sun等[57]使用了單寧酸(TA)來侵蝕ZIF-8表面，結果發(fā)現(xiàn)，TA-Zn納米涂層具有可以良好控制Zn—O鍵的分層多孔結構，使ZIF-8@Zn—TA表現(xiàn)出優(yōu)良的底物擴散性和抗腐蝕性，這一特性大大提高其催化能力。Neupane等[58]研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管(CNT)-ZIF復合材料上的3個酶位點44R1、65R1及118R1可以使其更容易暴露于溶劑中，改善大分子與底物接觸面并因此提高催化效率。Cao等[30]將大豆環(huán)氧水解酶(SHE)固定在UiO-66-NH2表面，并研究其的酶學性質，結果發(fā)現(xiàn)：固定化的酶不論是酶活，還是對溫度、pH和有機試劑的耐受性，都有不同程度的提高；固定前后的SEH的三級和二級結構均發(fā)生了變化，使底物更容易接觸酶的活性位點，并且蛋白質分子的官能團電離狀態(tài)被改變，α-螺旋的數(shù)量大量增加(34.4%、19.4%)，酶的結構剛度提高，這對提高酶的穩(wěn)定性起到重要作用。

3.2 生物降解

酶@MOFs復合材料不易受環(huán)境變化影響，具有良好的穩(wěn)定性和可重復使用性，已被證實可以用于霉菌毒素[59]、有機染料[60-61]以及磷酸類污染物[62]等有機污染物的生物降解。

黃曲霉毒素作為一種代表性的霉菌毒素，具有強致癌性，是飼料中常見的真菌毒素并且易在動物體內富集，如何高效降解黃曲霉毒素一直是人們研究的熱點[63]。Ren等[59]使用3種具有類過氧化物酶活性的MOFs來去除黃曲霉毒素B1(AFB1)，結果發(fā)現(xiàn)：MOFs對AFB1具有強大的去除能力和對其他物質的抗干擾能力，利用這3種MOFs的結構和Fe2+活性位點的差異，將這些MOFs固定在超濾膜中，形成具有優(yōu)秀的吸附和催化特性的多功能膜(即過濾、吸附和催化)并用于AFB1的去除，這種合成膜可以同時進行吸附和催化作用，并且具有良好的可重復使用性和再生能力；物化分析和動物實驗表明，AFB1經固定了MOFs的超濾膜降解后得到的產物是幾種低碳物質，其毒性基團已被裂解，對環(huán)境的毒性得到有效消除。Gkaniatsou等[60]首次揭示了MOFs基質和過氧化物酶的協(xié)同作用，MOFs基質不僅充當酶的保護性載體，使其能夠在多次循環(huán)使用中保持長期的催化活性，而且由于其出色的吸附性能，還可以進一步增強生物反應器的催化性能，并增強甲基橙染料的氧化反應選擇性。由于MOFs與甲基橙染料之間的電荷選擇性吸附導致了反應物的預濃縮，顯著提高了目標染料的氧化速率。Mahmoodi等[61]合成了作為3D納米多孔載體的ZIF-8，并對其表面進行了氨基化功能修飾，然后通過連接劑戊二醛(GA)將漆酶共價固定在ZIF-8納米顆粒上，以此制備了用于降解有機污染物的新型MOFs納米生物催化劑，結果發(fā)現(xiàn)，由于MOFs具有豐富的可利用活性位點以及固定化酶的催化作用，酸性藍92(AB92)的生物降解量高達90%，這充分顯示了MOFs納米生物催化劑從有色廢水中去除染料污染物的優(yōu)秀應用潛力。有機磷酸酯水解酶OPH6His@MOF[62]復合材料可以將有機磷酸酯農藥OPPs催化水解為毒性較小的對硝基苯酚，并且其具有長期的環(huán)境穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，可以持續(xù)有效地降低OPPs對水環(huán)境的危害。

3.3 快速檢測領域

酶生物傳感器和檢測器具有優(yōu)秀的催化活性以及重復使用性，在環(huán)境監(jiān)測、農藥檢測、食品分析和疾病診斷等領域應用潛力巨大。Zhao等[64]通過一鍋法制備GOx@Fe-BTC(1,3,5-苯三甲酸)復合材料并成功應用于血清中葡萄糖的測定，結果發(fā)現(xiàn)：與游離HRP相比，GOx@Fe-BTC表現(xiàn)出更高的過氧化物酶樣的活性；在重復使用4次后，GOx@Fe-BTC仍保持83%的活性，此外將其暴露在果糖(10倍濃度)、乳糖(10倍濃度)和麥芽糖(5倍濃度)中，依舊無明顯的信號干擾。Zhu等[65]通過將GOx@ZIF-8與長周期光柵(LPG)結合，開發(fā)了高度穩(wěn)定的光纖生物傳感器以實現(xiàn)葡萄糖檢測，結果發(fā)現(xiàn)：與紫外LPG相比，這種光纖生物傳感器具有更高的靈敏度，對1～8 mmol/L葡萄糖溶液的靈敏度約為0.5 nm/mmol/L；同時，在ZIF-8中封裝的GOx即使在惡劣環(huán)境下也能保持催化活性，這種保護能力遠遠超過了目前使用的其他材料。Luo等[66]合成了一種新型的以混合價Ce元素為金屬中心的MOFs(Ce-BPyDC)，并將其用于Ce(Ⅲ)/Ce(Ⅳ)氧化還原循環(huán)系統(tǒng)，結果發(fā)現(xiàn)：這種材料在3，3′，5，5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)氧化反應中具有雙重酶活性(類氧化酶和類過氧化物酶活性)，因此該材料可以輕松替代HRP和許多類似的納米酶；基于這種納米酶的特性建立了一種比色法檢測氨基酸的策略，該策略具有操作簡便、檢測靈敏、結果準確的優(yōu)點，線性范圍可以達到1～20 μmol/L。

3.4 生物醫(yī)藥

基于天然酶的納米治療技術正在興起，然而，這種催化療法的效率由于操作穩(wěn)定性低、遞送效率差和酶的壽命短而受到嚴重阻礙。

Bai等[70]通過一鍋法將HRP和GOx嵌入ZIF-8制備新型生物反應器(ZIF-8@GOx/HRP)，進行協(xié)同癌癥治療，結果發(fā)現(xiàn)：ZIF-8@GOx/HRP可以有效地消耗內源性葡萄糖以生成葡萄糖酸和H2O2，通過中斷葡萄糖依賴性能量供應而阻礙癌癥的代謝途徑，并且隨后H2O2被包封，HRP分解放出高毒性·OH自由基，誘導癌細胞氧化凋亡；嵌入ZIF-8中的GOx保留了良好的葡萄糖氧化催化活性，比游離的GOx催化活性高約2.1倍；此外，小鼠實驗結果顯示，給藥15 d后的小鼠腫瘤細胞質量明顯下降，而對照組小鼠腫瘤卻迅速生長，并且治療過程中未觀察到小鼠的明顯體質量變化或器官損傷，實現(xiàn)了超低副作用下對腫瘤細胞的有效抑制。

NO是重要的內源性信號分子，在生理和病理過程中起關鍵作用，已被用于癌癥治療領域，高含量NO不僅可以殺死癌細胞，而且可以提高治療效果。Ling等[71]開發(fā)了一種GOD@Co-FeMOF納米片系統(tǒng)作為串聯(lián)催化劑，將葡萄糖轉化為葡萄糖酸和H2O2，隨后H2O2可用于催化L-精氨酸的氧化，該過程可以在生理pH、常壓和水溶液條件下進行級聯(lián)反應，持續(xù)產生精氨酸，當其與血清接觸時可產生NO，用于類似饑餓氣體的協(xié)同治療，推進了MOFs在癌癥治療領域中的應用。

3.5 生物制造

通常，Enzyme@MOFs復合物最直接的應用是催化轉化來生產高價值的目標化學物質。包括廣泛應用于化妝品中的(R)-1,2-辛二醇[30]、應用于藥物的鄰喹啉[20]、二羥基丙酮[72]、對硝基苯酚[73]、膽堿[72]以及生物柴油[74]等。但是目前相關的生物制造方面的應用仍然處于實驗室階段，并沒有帶來實際應用價值，所以還有很大的發(fā)展空間。

4 MOFs的毒性研究

金屬有機骨架材料應用前景廣闊，但通常不可生物降解，這是限制其應用的一個關鍵因素，因此對其毒性研究顯得尤為重要。Baati等[75]通過Wistar大鼠實驗對3種具有不同結構和組成的多孔含F(xiàn)e3+納米MOFs(MIL-88A、MIL-88B-4CH3和MIL-100)的體內急性(單劑量)毒性進行了深入評估，結果發(fā)現(xiàn)：這3種MOFs通過靜脈內施后，Wistar大鼠的主要器官(即肝臟和脾臟)迅速隔離納米MOFs并保持了自身功能的完整性，除了僅有的一些短暫異常，并沒有顯示出持續(xù)毒性，其中，分子量較小的MIL-88B-4CH3在老鼠大腦中出現(xiàn)，但沒有表現(xiàn)出嚴重的腦毒性；通過Wistar大鼠的代謝分析，納米MOFs被降解為其組成成分，即鐵離子和有機配體，并通過尿液和糞便直接排出體外。Liu等[76]評估了MOFs/GOx在小鼠體內的毒性，結果發(fā)現(xiàn)：在給藥后第7天測試其血液生化指標以評估腎臟和肝臟功能，與未施藥的小鼠相比，血液和鼠體指標都未表現(xiàn)出明顯差異；對雜化納米催化劑的生物分布研究結果表明，大多數(shù)MOFs/GOx納米片積聚在小鼠的肝臟和脾臟中，而只有少量MOF/GOx納米片積聚在心臟、腎臟和肺中；同時發(fā)現(xiàn)，隨著時間的流逝，雜化催化劑可以從小鼠體內清除。此外，與正常小鼠相比，用葡萄糖和MOFs/GOx創(chuàng)可貼敷料給藥后的小鼠的主要組織無明顯差異或損傷。這些結果表明，MOFs/GOx 在小鼠體外和體內的毒性均可忽略不計。Ruyra等[77]通過使用3，3′-[1-(苯氨酰基)-3，4-四氮唑]-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉(XTT)測定法在HepG2和MCF7(肝癌細胞和人乳頭細胞)細胞中單獨評估納米MOFs合成原料中每種有機配體和金屬離子的體外細胞毒性，結果發(fā)現(xiàn)：沒有一種有機配體顯示出任何顯著的細胞毒性；隨后評估Co2+、Ni2+、Zn2+、Zr4+和Mg2+等金屬離子對細胞活性的影響，細胞活力均低于75%，并且即使在低劑量(5～10 μmol/L)下，Cu2+和Mn2+鹽也表現(xiàn)出較高的細胞毒性；Fe3+在中等濃度中表現(xiàn)出較高細胞毒性。Fei等[78]評估了MOFs材料中Zn2+對大鼠嗜鉻細胞瘤細胞(PC12)的形態(tài)、骨架、細胞活力以及神經信號通路相關Gap-43蛋白表達的影響。結果發(fā)現(xiàn)：將細胞暴露于濃度為25～400 μg/mL的IRMOF-3中48 h后發(fā)現(xiàn)，即使在100 μmol/L的中等濃度下，細胞膜也會受到明顯破壞并且少量IRMOF-3被內化，肌動蛋白網絡相干性明顯喪失，并且Gap-43蛋白表達水平顯著降低，說明神經元分化受到抑制；在400 μg/mL時，IRMOF-3大大減少了神經突的生長并顯著抑制了PC12細胞的分化，并且從IRMOF-3釋放的Zn2+比相應的IRMOF-3產生更強的毒性作用。

5 展望

金屬有機框架材料由于其優(yōu)異的性能，被認為是酶固定化的理想材料，用于增強酶的抗逆性能、提高酶的穩(wěn)定性和可重復利用性。但這一方面的研究仍處于起步階段，系列問題有待深入探究，如①金屬有機框架材料在酸性條件下容易崩解，從而失去對酶的保護作用，如何提高材料的“耐酸性”；②目前針對金屬有機框架材料對酶的固定化多基于單酶體系，如何實現(xiàn)材料在多酶催化體系中的高效應用；③目前的研究多基于實驗室規(guī)模，放大過程的可控性、綜合成本等問題；④金屬有機框架材料在微生物領域應用的可行性。