功能金属有机框架与生物应用

本书主要介绍功能金属有机框架(MOFs）复合材料的制备和在生物医药上的应用。利用不同的MOFs作为药物载体，后修饰靶向试剂叶酸和荧光试剂 5-羧基荧光素后构建了多个可靶向识别癌细胞、荧光成像和药物递送的多功能MOFs，并利用Fe-MOFs、Gd-MOFs作为药物载体和核磁共振成像试剂，得到了多个可靶向识别癌细胞、核磁共振-荧光成像和药物递送的多功能MOFs，设计合成了刺激-响应药物释放体系和光动力治疗体系，对MOFs基生物小分子荧光探针进行了分析研究。
本书可供从事功能金属有机框架材料相关研究的科研人员和材料学科相关专业的师生参考。

高雪川，女，理学博士，山西省原平市人。现为内蒙古工业大学化工学院副教授，硕士生导师，二氧化碳资源化利用自治区高等学校重点实验室成员。目前主要从事功能配位聚合物的设计、合成及其在药物载体、生物检测及二氧化碳转化方面的应用研究工作。2020年入选内蒙古工业大学“新世纪321人才工程”第三层次。主持内蒙古自治区自然科学基金多项。发表SCI学术论文10余篇。
崔瑞雪，女，理学博士，内蒙古自治区赤峰市人。现为内蒙古农业大学理学院讲师，二氧化碳资源化利用自治区高等学校重点实验室成员。目前主要从事功能配位聚合物的设计、合成及其在药物载体、生物检测及催化方面的应用研究工作。发表SCI学术论文10余篇。

随着科学技术的不断发展和人们对新材料需求的增加，具有特定功能或性能的功能材料的研究和应用正处于一个蓬勃发展的阶段。功能材料是先进材料领域的核心，也是国民经济、社会发展和国防建设的基础和先导，根据功能材料的基体材料可主要分为功能金属材料、功能高分子材料、功能无机非金属材料、功能金属有机框架（MOFs）材料等，其中关于功能金属有机框架材料的研究较为活跃，各类新技术、新材料和新专利层出不穷，充满了机遇和挑战。
功能金属有机框架材料是近二十年以来发展迅速的一类配位聚合物，具有三维孔结构，一般以金属离子为连接点，有机配体为支撑构成空间三维延伸，是继沸石和碳纳米管后的又一类重要的新型多孔材料。目前，金属有机框架材料已经成为无机化学、有机化学和材料化学等多个化学分支的重要研究方向。金属有机框架材料兼具无机材料的刚性和有机材料的柔性特征，具有可定制性、结构多样性、孔径可调、比表面积大、生物可降解等优势，且可以通过后修饰等策略对原始金属有机框架材料进行功能化，因此功能金属有机框架材料在催化、储能、传感、生物医药等领域具有广阔的应用前景。生物医药行业是关系国计民生、国家安全的战略性新兴行业，是健康中国建设的重要基础。生物医药领域兼具民生保障功能与高技术壁垒，围绕人类的整个生命过程，提供药物和医疗器械等支持。功能金属有机框架材料在生物医药领域的应用主要有药物递送、生物成像、生物检测、光动力治疗等。
功能金属有机框架材料得益于其特殊的化学结构，在生物小分子识别领域崭露头角。生物活性小分子在生理过程中发挥着重要的作用。体内某些物质浓度的异常，会引起疾病，影响机体健康。为了保障人们的身体健康，发展方便快捷、灵敏可靠的分析方法用于生物小分子的检测，对于环境监测、食品检测、生理/病理过程的研究具有重要意义。
恶性肿瘤是世界范围内的重大公共卫生问题，目前临床上常用的治疗手段包括手术治疗、放射疗法、化学药物治疗、激素治疗、靶向生物治疗等。尽管手术、放疗和化疗等传统治疗方法在技术上不断进步，但普遍存在难以完全清除癌细胞，对正常组织和器官的毒副作用大，易引起生理功能障碍等问题，导致患者生活质量下降，预后状况差。有效、精确的生物成像技术可以对生物体形态和结构进行观察表征，并且动态、相对定量地衡量组织或者器官在生理或者病理情况下的变化，对于疾病诊断、术中指导和术后评估，特别是癌症的诊断和精准治疗，占有至关重要的地位。近年来，基于功能金属有机框架材料的光动力治疗和协同治疗等新兴的治疗手段在飞速发展，同时功能金属有机框架材料作为成像探针也在显著提高治疗和诊断的准确性，靶向治疗和精准医疗逐渐成为研究的热点。
本书从配位聚合物材料基本理论出发，以功能金属有机框架材料为主线，全面系统地介绍了功能金属有机框架材料的设计思路和制备方法，研究了多种功能金属有机框架材料在生物小分子识别、生物成像、癌症治疗方面的性能和应用，为功能金属有机框架材料的设计开发、生产研究提供实验基础。
本书内容分为5章。第1章对金属有机框架材料的晶体结构、合成方法以及在生物医药领域的研究现状进行了简单介绍。第2章对具有荧光成像能力的MOFs基靶向药物递送载体进行分析研究，第3章对具有磁共振/荧光双模态成像的MOFs基药物递送载体进行分析研究，第4章对具有pH响应机制、光动力治疗、协同治疗能力的MOFs基药物递送载体进行分析研究。第5章对MOFs基生物小分子荧光探针进行分析研究。本书较全面地涵盖了功能金属有机框架材料的结构设计和生物应用，从构效关系出发研究了材料的性能，尽可能反映金属有机框架材料在生物医药领域的新技术、新理论、新知识，突出先进性。
本书在编写和出版过程中，得到各位同行和学校各级领导的大力支持，还得到内蒙古农业大学双一流建设基金（RK2300003397）、内蒙古工业大学自然科学基金（BS201909）、内蒙古自治区直属高校基本科研业务费（JY20220177）的资助，在此一并感谢。
限于编者的水平，书中难免存在不足之处，恳请读者和同行专家批评指正。

作者
2024年5月

第1章 金属-有机框架（MOFs）材料概述 1
1.1 MOFs 的合成及结构特点 1
1.1.1 MOFs单晶的合成 1
1.1.2 MOFs纳米粒子的合成 2
1.1.3 MOFs的结构特点 2
1.2 MOFs 作为药物载体的研究进展 3
1.2.1 MOFs的药物负载方式 3
1.2.2 MOFs的药物释放行为 4
1.3 MOFs 作为成像试剂的研究进展 8
1.3.1 MOFs基荧光成像试剂 8
1.3.2 MOFs基核磁共振成像试剂 8
1.3.3 MOFs基荧光-核磁共振双模成像试剂 9
1.4 MOFs 在光动力治疗和化学动力学治疗中的应用 9
1.4.1 光动力治疗 9
1.4.2 化学动力治疗 11
1.4.3 协同治疗 13
1.5 荧光MOFs 材料用于荧光传感 14
1.5.1 离子检测 14
1.5.2 小分子检测 15
1.5.3 温度与湿度传感 16
1.5.4 气体分子传感 17
1.5.5 基于MOFs材料的荧光开关 17
参考文献 18

第2章 MOFs 基荧光药物载体 25
2.1 中空ZIF-8 基荧光药物载体 25
2.1.1 ZIF-8/5-FU@FA-CHI-5-FAM 的制备 25
2.1.2 ZIF-8/5-FU@FA-CHI-5-FAM 的结构表征 28
2.1.3 ZIF-8/5-FU@FA-CHI-5-FAM 的荧光成像和药物释放性能研究 32
2.2 A-l MOFs 基荧光药物载体 35
2.2.1 RhB@Al-MOFs的制备 35
2.2.2 RhB@Al-MOFs的结构表征 37
2.2.3 RhB@Al-MOFs的荧光成像和药物释放性能研究 42
2.3 UiO-66-NH2 基荧光药物载体 44
2.3.1 UiO-66-NH2-FA-5-FAM/5-FU的制备 44
2.3.2 UiO-66-NH2-FA-5-FAM/5-FU的结构表征 47
2.3.3 UiO-66-NH2-FA-5-FAM/5-FU的荧光成像和药物释放性能研究 51
参考文献 55

第3章 MOFs 基荧光-磁性药物载体 60
3.1 中空Fe-MOF-5 基荧光-磁性药物载体 60
3.1.1 Fe-MOF-5-NH2-FA-5-FAM/5-FU的制备 60
3.1.2 Fe-MOF-5-NH2-FA-5-FAM/5-FU的结构表征 63
3.1.3 Fe-MOF-5-NH2-FA-5-FAM/5-FU 的核磁共振-荧光成像和药物释放性能研究 66
3.2 Gd-MOFs 基磁性-荧光药物载体 70
3.2.1 RhB@Gd-MOFs的制备 70
3.2.2 RhB@Gd-MOFs的结构表征 72
3.2.3 RhB@Gd-MOFs的核磁共振-荧光成像和药物释放性能研究 75
3.3 Fe-MOFs/Eu-MOFs 基荧光-磁性药物载体 79
3.3.1 Fe-MOFs/Eu-MOFs的制备 79
3.3.2 Fe-MOFs/Eu-MOFs的结构表征 81
3.3.3 Fe-MOFs/Eu-MOFs的核磁共振-荧光成像和药物释放性能研究 83
3.4 Fe-MIL-53-NH2 基荧光-磁性药物载体 88
3.4.1 Fe-MIL-53-NH2-FA-5-FAM/5-FU的制备 88
3.4.2 Fe-MIL-53-NH2-FA-5-FAM/5-FU的结构表征 91
3.4.3 Fe-MIL-53-NH2-FA-5-FAM/5-FU 的核磁共振-荧光成像和药物释放性能研究 94
3.5 ZIF-8 基磁性-荧光药物载体 99
3.5.1 DOX/Fe3O4@ZIF-8的制备 99
3.5.2 DOX/Fe3O4@ZIF-8的结构表征 100
3.5.3 DOX/Fe3O4@ZIF-8的核磁共振-荧光成像和药物释放性能研究 101
参考文献 105

第4章 MOFs 基pH 和光响应药物载体 112
4.1 Zn-MOFs 基pH 响应药物载体 113
4.1.1 Zn-MOFs的制备 113
4.1.2 Zn-MOFs的结构表征 114
4.1.3 Zn-MOFs的药物释放行为研究 116
4.2 T-i MIL-125 基光动力治疗体系 117
4.2.1 PB@Ti-MIL-125的制备 117
4.2.2 PB@Ti-MIL-125的结构表征 119
4.2.3 PB@Ti-MIL-125的荧光成像和光动力治疗性能研究 122
4.3 UiO-67 基化学/光动力协同治疗体系 124
4.3.1 DOX@UiO-67@TiO2 的制备 124
4.3.2 DOX@UiO-67@TiO2 的结构表征 127
4.3.3 DOX@UiO-67@TiO2 的化学动力学和光动力性能研究 131
参考文献 139

第5章 MOFs 基生物小分子荧光探针 144
5.1 Zn-MOFs 基氨基酸荧光探针 144
5.1.1 Cu/Tb@Zn-MOFs的制备 144
5.1.2 Cu/Tb@Zn-MOFs的结构表征 146
5.1.3 Cu/Tb@Zn-MOFs的荧光性质及氨基酸识别性能 147
5.2 片层状Zn-MOFs 基叶酸荧光探针 156
5.2.1 Zn-MOFs的制备 156
5.2.2 Zn-MOFs的结构表征 157
5.2.3 Zn-MOFs荧光性质与叶酸识别性能 158

参考文献 161