共價(jià)有機(jī)框架的合成及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用研究進(jìn)展

黎婧怡，成雨純，謝 輝，陳 楠

（上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200234）

0 引言

共價(jià)有機(jī)框架（COFs）是由碳（C）、氫（H）、氧（O）、硼（B）和氮（N）等輕元素通過共價(jià)鍵而合成的一類多孔結(jié)晶性有機(jī)聚合物［1-5］.其共價(jià)連接的分子結(jié)構(gòu)單元在網(wǎng)狀化學(xué)的引導(dǎo)下可延伸至二維（2D）或三維（3D）.COTE等［6］在2005年首次報(bào)道了通過縮合反應(yīng)合成2種2D COFs的方法，隨后，不同種類的COFs及其衍生物被設(shè)計(jì)和合成.COFs具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、密度低、比表面積大、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)、孔徑大小均一且可調(diào)節(jié)、易于合成后修飾等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被開發(fā)應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，例如氣體吸收和分離、催化、傳感、光電、質(zhì)子傳導(dǎo)、能量存儲(chǔ)等［1，7-11］.作為一類生物兼容性良好的多孔材料，COFs被認(rèn)為在生物傳感、抗菌以及腫瘤治療等生物醫(yī)學(xué)研究中具有潛在應(yīng)用前景.與模塊化多孔晶體材料的另一個(gè)主要成員，即金屬有機(jī)框架（MOFs）相比較［12］，COFs具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).首先，更穩(wěn)定的共價(jià)化學(xué)鍵提高了COFs在復(fù)雜生物環(huán)境中的穩(wěn)定性，而無金屬離子釋放則降低了其細(xì)胞毒性.其次，通過預(yù)先設(shè)計(jì)，可以很方便地合成尺寸和形狀可控的納米結(jié)構(gòu)［13］，均勻的納米孔和開放的通道使COFs可以更有效地搭載生物活性物質(zhì)，并為其提供擴(kuò)散通道.經(jīng)過研究人員的不懈努力，COFs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，本研究主要綜述了COFs的制備方法及其在生物學(xué)應(yīng)用方面的研究進(jìn)展.

1 COFs的制備方法

形成高度有序和結(jié)晶的COFs的關(guān)鍵是共價(jià)鍵形成過程中對(duì)于熱力學(xué)平衡的調(diào)節(jié)，研究者們往往根據(jù)后續(xù)應(yīng)用所需的材料孔隙率以及尺寸結(jié)構(gòu)等因素來選擇COFs材料合成所需的結(jié)構(gòu)單元，并設(shè)計(jì)合成路線.目前已開發(fā)了多種COFs的合成方法，其中較為常用的方法包括：溶劑熱合成法、離子熱合成法、機(jī)械化學(xué)合成法以及界面合成法等.

1.1 溶劑熱合成法

溶劑熱合成法因其合成方式簡單、制備的材料顆粒大小和形貌可控等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前制備COFs的常用方法之一.例如XU等［14］通過2，4，6-三（4-氨基苯氧基）-1，3，5-三嗪（TPT-NH2）和2，4，6-三（4-甲?；窖趸?1，3，5-三嗪（TPT-CHO）以及對(duì)苯二甲醛在溶劑熱條件下進(jìn)行縮合反應(yīng)，合成了2種新型的2D COFs（TPT-COF-1和TPT-COF-2），后續(xù)實(shí)驗(yàn)表明，所制備的TPT-COF-1具有高結(jié)晶度和較大比表面積（1 589 m2·g-1），如圖1（a）所示.此外，XIONG等［15］以2，6-二氨基對(duì)苯二酚（DAAQ）和1，3，5-三甲基間苯三酚（TFP）為原料，采用溶劑熱法合成了COFDAAQ-TFP電致變色薄膜.該2D COF相鄰層之間堆疊的π軌道以及垂直于堆疊方向的納米孔，為電致變色過程中的電荷轉(zhuǎn)移提供了方便.最近，YANG等［16］提出了一種在溶劑熱合成過程中加入表面活性劑，并與酸調(diào)節(jié)相結(jié)合的策略，用于設(shè)計(jì)β-酮烯胺連接的COFs，成功制備了直徑低至20 nm、長度高達(dá)幾微米的COFs納米纖維，以及厚度為18 nm的COFs納米板.

溶劑熱合成法的反應(yīng)條件高度依賴于構(gòu)建塊的溶解性、反應(yīng)性以及反應(yīng)的可逆性.此外，反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、溶劑條件和催化劑濃度也是溶劑熱法制備晶態(tài)多孔COFs的關(guān)鍵影響因素，諸多復(fù)雜因素的影響使該方法耗時(shí)較長，且較難用于COFs的大規(guī)模生產(chǎn).

1.2 離子熱合成法

應(yīng)對(duì)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用需求，開發(fā)一種簡單、溫和、綠色的COFs材料合成路線是非常必要的.離子液體（IL）是一種低熔點(diǎn)的有機(jī)鹽，由液態(tài)離子組成，具有低蒸汽壓、不可燃、液體范圍寬、對(duì)有機(jī)和無機(jī)化合物溶解性好和結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，因而作為合成晶態(tài)材料的一種綠色、安全的反應(yīng)介質(zhì)受到了廣泛的關(guān)注.例如，KUHN等［17］首次通過簡單的策略，以離子液體為綠色溶劑，制備了一系列含COFs的3D離子液體（3D-IL-COFs），如圖1（b）所示.這些3D-IL-COFs顯示出高結(jié)晶度、良好的BET表面積和對(duì)CO2/N2和CO2/CH4具有吸附選擇性.

圖1 COFs的合成方法示意圖.

1.3 機(jī)械化學(xué)合成法

考慮到溶劑熱法的反應(yīng)條件較為復(fù)雜，而通過簡單、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的途徑構(gòu)建的機(jī)械化學(xué)合成法可以克服以上方法的局限性.例如，BISWAL等［18］采用常溫、無溶劑、化學(xué)研磨的方法合成了3種具有良好熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的網(wǎng)狀COFs.在無溶劑的條件下，利用席夫堿醛-胺縮合反應(yīng)，將1，3，5-三甲酰基間苯三酚（TP）和對(duì)苯二胺（PA-1）放置在研缽中，通過在室溫下用研杵研磨得到COFs，如圖2（a）所示.所合成的COFs結(jié)晶度和孔隙率適中，在沸水、酸和堿中均具有顯著的穩(wěn)定性，且相較于溶劑熱法所合成的母體COFs，該COFs的層剝離與COFs的形成可以同時(shí)發(fā)生.機(jī)械化學(xué)合成法的優(yōu)點(diǎn)在于簡單、安全、環(huán)保，但采用該方法合成的COFs結(jié)晶度和孔隙率略差.

1.4 界面合成法

大多數(shù)傳統(tǒng)的COFs合成方法對(duì)材料的形態(tài)控制不佳，而界面合成策略是一種制備COFs薄膜并能同時(shí)控制其厚度的新穎方法.例如，DEY等［19］在環(huán)境條件下利用液-液界面作為模板，制備了厚度50～200 nm高度結(jié)晶的COFs.該薄膜是在沒有任何支撐的情況下以獨(dú)立形式生長而成的，表現(xiàn)出顯著的溶劑滲透和溶質(zhì)排斥性能，可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到任何需要的基底上.而后MATSUMOTO等［20］將1，3，5三（4-氨基苯基）苯（TAPB）和對(duì)苯二甲醛（PDA）合成亞胺連接的TAPB-PDA COFs.在路易斯酸催化劑（Sc（OTf）3）催化下，TAPB-PDA COF通過界面聚合形成的自支撐膜.如圖2（b）所示.這種方法合成的亞胺連接的COFs連續(xù)膜，其橫向尺寸由聚合容器的尺寸決定，而膜的厚度則由初始單體的濃度控制，這種方法可以制備厚度4～50 nm的COFs薄膜，實(shí)現(xiàn)了納米尺度COFs的精確控制與合成.

圖2 利用機(jī)械化學(xué)合成法和界面合成法制備COFs.

綜上所述，溶劑熱合成法運(yùn)用比較廣泛，但難以用于大規(guī)模生產(chǎn)；離子熱合成法實(shí)現(xiàn)了COFs材料的大規(guī)模生產(chǎn)，并且該方法合成簡單、溫和；機(jī)械力化學(xué)合成法合成方式簡單，但合成的COFs結(jié)晶度稍差；界面合成法克服了傳統(tǒng)COFs合成方法對(duì)其形態(tài)難以控制的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了COFs薄膜制備的同時(shí)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)其厚度的控制.

2 COFs的生物學(xué)應(yīng)用

COFs材料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，因而成為了材料科學(xué)的研究熱點(diǎn).隨著相關(guān)合成策略的發(fā)展和豐富，COFs的種類也更加多樣化.由于COFs具有低的骨架密度、高的熱化學(xué)穩(wěn)定性、大的比表面積及孔隙率、可控的化學(xué)物理性質(zhì)、開放的孔道結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，在催化技術(shù)、氣體分離及儲(chǔ)存、光電材料、環(huán)境與能源等諸多領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景.然而COFs在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用研究還處于起步階段.與其他的多孔有機(jī)骨架材料，如MOFs等相比，COFs具有更好的穩(wěn)定性、不含有毒金屬離子等優(yōu)勢(shì)［21］，使其在生物學(xué)應(yīng)用方面具有良好的潛力，并已經(jīng)被嘗試應(yīng)用于生物傳感、抗菌制劑、抗腫瘤治療等領(lǐng)域.以下重點(diǎn)介紹其在生物傳感器以及腫瘤治療方面的應(yīng)用.

2.1 生物傳感器

由于COFs具有良好的生物相容性、較低的細(xì)胞學(xué)毒性，且在水溶液中保持高穩(wěn)定性，在生物傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.與其他晶體型多孔材料相比，COFs的優(yōu)勢(shì)之一在于能通過合成改性后引入不同的官能團(tuán)，從而賦予其獨(dú)特的功能，如催化活性.研究者們基于COFs自身的催化活性，探索了其在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用.例如，WANG等［22］采用合成后改性的方法，合成了一種基于鐵卟啉的COFs材料（Fe-COF），如圖3（a）所示.Fe-COF具有很強(qiáng)的辣根過氧化物酶（HRP）擬酶活性，能在3，3′，5，5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）存在條件下，用于過氧化氫（H2O2）的比色分析和檢測，并獲得了較寬的檢測范圍和較低的檢測限.當(dāng)Fe-COF與葡萄糖氧化酶（GOx）聯(lián)用時(shí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖的比色分析和定量測定，其檢測范圍為5～350 μmol·L-1，檢測極限為1.0 μmol·L-1.該Fe-COF具有制備簡單、穩(wěn)定性好和催化活性高的優(yōu)點(diǎn)，從而被成功地應(yīng)用于人血清樣品中葡萄糖的測定.

COFs良好的生物相容性可以為生物分子提供合適的微環(huán)境，且COFs的多孔結(jié)構(gòu)使其具有更高的表面自由能和更大的活性比表面積，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的高效負(fù)載.此外，COFs的有序晶體結(jié)構(gòu)可以加速電荷載流子的遷移，改善生物傳感器的響應(yīng)速率.因此，COFs與電化學(xué)生物傳感器的交叉融合為多種生物分子的檢測提供了新的策略.例如，F(xiàn)ENG等［23］設(shè)計(jì)了一種HRP-Ab2-Au-COF復(fù)合探針，如圖3（b）所示，用于心肌鈣蛋白I（cTnI）的高靈敏度電化學(xué)測定.COF的高孔隙率確保了HRP的高負(fù)載，COFs表面修飾的金納米粒子既為抗體Ab2提供了連接平臺(tái)，又提高了COFs的電導(dǎo)率.在H2O2和HRP的協(xié)同作用下，溶液中的對(duì)苯二酚（HQ）被催化氧化為苯醌（BQ），然后BQ在電極表面還原，產(chǎn)生電化學(xué)信號(hào).基于H2O2-HRP-HQ信號(hào)放大系統(tǒng)，該cTnI生物傳感器的線性響應(yīng)范圍為5 pg·mL-1～10 ng·mL-1，檢測限為1.7 pg·mL-1，并在實(shí)際樣品測試中表現(xiàn)出良好的回收率和重現(xiàn)性.

圖3 COFs在生物傳感方面的應(yīng)用.

2.2 腫瘤治療

除了用于構(gòu)建生物傳感器外，COFs在發(fā)展腫瘤治療新方法及其應(yīng)用方面也非常具有潛力，其被認(rèn)為是用作藥物載體、光熱療法（PTT）、光動(dòng)力療法（PDT）和構(gòu)建腫瘤協(xié)同治療平臺(tái)的優(yōu)良材料.

2.2.1 藥物遞送

化療是最廣泛使用的腫瘤治療方法，特別是針對(duì)有擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移趨勢(shì)的腫瘤.許多小分子化療藥物［24-25］，如阿霉素（DOX）、順鉑和紫杉醇等，腫瘤靶向能力往往較差，并伴隨較為明顯的副作用.納米藥物遞送系統(tǒng)被證明具有較高的載藥量、精確的靶向性以及可控的副作用，對(duì)改進(jìn)傳統(tǒng)化療具有重要意義.COFs以其高比表面積、可調(diào)節(jié)的孔形狀、大孔隙率、良好的生物相容性、較好的生物降解性和易于改性等優(yōu)點(diǎn)，在藥物傳遞領(lǐng)域引發(fā)了廣泛關(guān)注.例如，LIU等［26］以1，3，5-三（4-氨基苯基）苯（TAPB）和2，5-二甲氧基對(duì)苯二甲醛（DMTP）為原料，首次用一鍋法成功地實(shí)現(xiàn)了阿霉素（DOX）的原位包埋，合成了DOX@TAPBDMTP-COF（DOX@COF），如圖4（a）所示.這一簡單而快速的載藥策略不僅縮短了藥物攝取的時(shí)間，也實(shí)現(xiàn)了較高的載藥效率（負(fù)載率為32.1%）.DOX@COF表現(xiàn)出pH響應(yīng)釋放的特性，能夠在弱酸性的腫瘤微環(huán)境中有效釋放DOX.體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)均證明其具有良好的生物相容性和較高的腫瘤抑制效率.

2.2.2 PDT

PDT是指將光敏劑（PSs）遞送至腫瘤部位，利用特定波長的光進(jìn)行激發(fā)，將氧激發(fā)成單線態(tài)氧（1O2），從而導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞壞死和凋亡的一種非侵入性治療方法［27］.由于大多數(shù)傳統(tǒng)的PSs在水中的溶解性很差，其PDT效果通常受到細(xì)胞攝取率低的限制.將PSs修飾或負(fù)載于納米載體上可以克服這一缺陷，從而改善PDT抗腫瘤治療的效果.COFs非常適合作為PSs的納米載體，用作PDT治療，一些新型的COFs材料已經(jīng)被合成，并應(yīng)用于腫瘤的PDT.例如，CHEN等［28］設(shè)計(jì)并合成了一類基于碳點(diǎn)的納米級(jí)COFs.該工作以對(duì)苯二胺和氟硼二吡咯（BODIPY）為模型單體，與含醛的碳點(diǎn)反應(yīng)，構(gòu)建得到了2種納米級(jí)COFs，分別命名為CCOF-1和CCOF-2，如圖4（b）所示.經(jīng)聚乙二醇（PEG）修飾后，生成了更好穩(wěn)定性和分散性的CCOF-1@PEG和CCOF-2@PEG.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CCOF-2@PEG具有更好的生理穩(wěn)定性和生物相容性，以及具有強(qiáng)大的活性氧產(chǎn)生能力，有潛力成為一種優(yōu)良的光動(dòng)力治療劑.

2.2.3 PTT

PTT是PDT之外另一種得到廣泛應(yīng)用的非侵入性腫瘤治療方法.該方法利用近紅外（NIR）激光觸發(fā)光熱轉(zhuǎn)導(dǎo)劑（PTAs），能量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的熱量會(huì)引起腫瘤部位的溫度升高，從而選擇性地殺死腫瘤細(xì)胞.與手術(shù)和化療等傳統(tǒng)方法相比，PTT具有微創(chuàng)和高效的特點(diǎn)，適用于安全有效的腫瘤消除.納米級(jí)的COFs可以作為PTAs的載體，實(shí)現(xiàn)其在腫瘤部位的有效富集和可控釋放.例如，WANG等［29］首次采用無模板溶液陳化法，將對(duì)苯二胺（Pa）、Tp和乙酸在室溫下混合，制備得到了均勻微米級(jí)的多層TpPa-COF，如圖4（c）所示，經(jīng)過三價(jià)鐵離子（Fe3+）對(duì)均勻微米級(jí)分層COF（HCOF）進(jìn)行合成后金屬化，使其具備了光熱劑（PTA）的性質(zhì).在激光照射下，合成的Fe-HCOF具有良好的光熱效應(yīng)和體內(nèi)抗腫瘤效果（效果達(dá)到87.8%），該工作通過合成后修飾使COFs功能化成為可能.

圖4 COFs在腫瘤治療中的應(yīng)用.

2.2.4 協(xié)同治療

由于腫瘤的異質(zhì)性和復(fù)雜性，單一療法往往效果有限，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤組織的根除，而協(xié)同治療可以克服單一療法的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高腫瘤治療的效果.COFs獨(dú)特的理化性質(zhì)決定其很適合作為一個(gè)多功能的納米平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多種療法的組合和協(xié)同作用.例如，HU等［30］制備了一種基于COFs的多功能納米治療劑，將PDT與PTT這2種療法進(jìn)行協(xié)同治療.在室溫下采用溶液相合成法制備了高度單分散的COF，所合成的COFs納米粒子在650 nm和808 nm激光照射下表現(xiàn)出良好的光動(dòng)力效應(yīng).將原位形成的銫化銅（CuSe）納米粒子與COFs偶聯(lián)，構(gòu)建了COF-CuSe治療平臺(tái)，如圖4（d）所示.該納米復(fù)合材料具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率和增強(qiáng)的光動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)均證明了COF-CuSe通過協(xié)同光熱效應(yīng)和光動(dòng)力效應(yīng)，具有顯著的抗腫瘤效果.在另一項(xiàng)工作中，GUAN等［31］報(bào)道了一種基于納米COFs的納米復(fù)合試劑.該復(fù)合物表面修飾了作為PSs的BODIPY-2I，并包埋了碳酸鈣（CaCO3）納米粒子，最后在表面修飾了能夠靶向腫瘤細(xì)胞表面CD44受體的糖胺聚糖（Gag），命名為CaCO3@COF-BODIPY-2I@Gag.該納米復(fù)合物能夠特異性靶向腫瘤細(xì)胞，光觸發(fā)產(chǎn)生的1O2不僅能夠直接殺死腫瘤細(xì)胞，還導(dǎo)致了線粒體功能障礙，失去鈣調(diào)節(jié)功能，而線粒體的鈣緩沖能力是細(xì)胞內(nèi)鈣離子的重要調(diào)節(jié)機(jī)制，破壞該功能很容易產(chǎn)生鈣超載.這樣，即使在較溫和的PDT條件下，PDT與1O2觸發(fā)的鈣超載協(xié)同治療，也可以獲得有效的抗腫瘤治療效果.

3 結(jié)論與展望

總結(jié)和比較了目前較為常見的幾種COFs合成方法，重點(diǎn)介紹了COFs在生物傳感和腫瘤治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展.現(xiàn)有的研究結(jié)果已經(jīng)充分證明了COFs在生物學(xué)應(yīng)用中的適用性和無限潛力.然而，作為一類新型材料，COFs進(jìn)一步的生物學(xué)應(yīng)用仍然面臨許多挑戰(zhàn).例如，要將COFs用作生物制劑，其長期生物毒性和代謝結(jié)果還需進(jìn)行系統(tǒng)分析和評(píng)估；細(xì)胞攝取對(duì)材料的大小有要求，材料形貌越均勻，尺度越小，則越易被攝取，現(xiàn)有的合成方法還難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備形貌和尺度均一性良好的COFs材料，因此還需要優(yōu)化納米COFs的合成方法.此外，目前COFs作為納米載體主要用于小分子藥物和PSs等的載帶，而COFs在核酸、蛋白等生物活性分子的遞送方面還有很大的拓展空間.在成功解決這些基本問題后，COFs作為一種納米材料平臺(tái)，在生物醫(yī)學(xué)方面的運(yùn)用將會(huì)越來越廣泛.