一种基于锰的复合材料的合成、结构表征及电化学性能研究：其在糖尿病视网膜病变中的潜在神经保护作用

《Journal of Molecular Structure》：Synthesis, Structural Characterization, and Electrochemical Properties of a Mn-Based Composite with Potential Neuroprotective Application in Diabetic Retinopathy

该研究合成Mn基金属有机框架（CP1）及其有机前体（化合物1），构建复合材料SA-1@CP1@Rg1。通过单晶XRD、FTIR和XRD证实材料结构及组装过程，电化学分析显示复合材料具有显著增强的氧化还原活性及扩散控制特性。体外实验表明该复合系统在高血糖环境下能有效改善视网膜神经节细胞存活率，为MOF基药物递送系统提供结构-性能关系新证据。

　　

姜恒|罗洪波|吴静|刘辉

中国浙江省杭州市，浙江医科大学附属人民医院，浙江省人民医院康复医学中心眼科

摘要

合成了一种基于锰的金属有机框架（CP1）及其相关的有机前体（化合物1），并对其进行了系统的表征。单晶X射线衍射揭示了CP1的配位环境、一维链状结构以及超分子堆积方式，而化合物1的分子结构和分子间相互作用也得到了清晰的解释。基于这些明确的构建单元，通过逐步组装策略构建了一种复合体系（SA-1@CP1@Rg1）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析显示，从SA-1到SA-1@CP1，再到SA-1@Rg1，特征振动带和衍射特征发生了渐进变化，证实了各组分的顺序整合。电化学研究表明，与SA-1@CP1相比，SA-1@Rg1表现出显著增强的氧化还原峰电流，表明其具有更大的电化学活性表面积和更好的电荷转移动力学。在0.01–0.10 V s?1的扫描速率范围内进行的扫描速率依赖性循环伏安法（CV）显示，氧化还原过程受扩散控制，阳极和阴极峰电流与扫描速率的平方根呈强线性相关（R2 = 0.9936–0.9959）。在碱性介质中，氧化峰电流随扫描速率线性增加（R2 = 0.9985），但没有观察到相应的还原峰，表明这是一个不可逆的电化学氧化过程。在高葡萄糖条件下对原代视网膜神经节细胞进行的初步体外评估显示，SA-1@CP1@Rg1显著提高了细胞的存活率和功能表现，证明了基于复合材料的递送效果。总体而言，本研究建立了定量结构-电化学性能关系，并展示了如何系统地评估用于生物医学应用的逐步组装的框架-聚合物复合材料。

引言

糖尿病（DM）引起的视网膜神经退化，特别是视网膜神经节细胞（RGCs）的进行性功能障碍和丧失，是糖尿病视网膜病变的主要病理特征，由于缺乏有效且稳定的神经保护递送系统，这仍然是一个重要的临床挑战[[1], [2], [3], [4], [5]]。人参皂苷Rg1（Rg1）已被广泛报道具有抗氧化和神经保护活性；然而，其在视网膜应用中的治疗效果受到生物利用度低和跨血-视网膜屏障（BRB）传输受限的严重限制[[6], [7], [8], [9], [10]]。这些限制凸显了需要合理设计的载体系统，以改善药物稳定性、递送效率以及在眼部病理条件下的控制释放[[11], [12], [13], [14], [15], [16]]。

金属有机框架（MOFs）由金属节点和有机配体通过配位组装而成，由于其可调的结构、高表面积和明确的配位环境，作为药物递送的功能平台受到了越来越多的关注[[17], [18], [19]]。重要的是，MOFs的晶体结构不仅决定了药物的装载行为和释放曲线，还控制了电荷转移特性和界面反应性，突显了结构表征在理解MOF功能中的核心作用[20]。在各种MOF体系中，基于锰的MOFs特别受到关注，因为Mn(II)离子的灵活配位几何结构使其能够形成多种结构，并且通常保持良好的生物相容性[21]。

然而，单组分MOFs在复杂的生物环境中往往表现出有限的分散稳定性和不足的界面相容性，限制了其在药物递送中的应用。为了解决这些限制，构建MOF-聚合物复合体系成为调节界面相互作用和改善功能表现的有效策略。海藻酸钠（SA）是一种天然衍生的多糖，因其生物相容性、可生物降解性和化学改性能力而广受认可[22]。然而，天然SA在疏水性药物装载和界面调控方面的能力有限，需要进行分子级别的修饰。在这项工作中，设计、合成了一种结构明确的小有机分子（化合物1），并将其共价引入SA主链中，得到了一种功能化的聚合物（SA-1）。化合物1的引入调节了SA的亲水-疏水平衡，并增强了其与基于锰的MOF（CP1）的界面亲和力。因此，对化合物1的精确单晶结构解析为理解分子结构如何影响复合材料的组装和递送行为提供了关键基础。

进一步采用电化学技术作为定量工具，以桥接结构特性和功能表现。循环伏安法（CV）允许实时评估电荷转移行为和氧化还原活性，提供了关于在高葡萄糖条件下Rg1释放相关的载体性质和抗氧化效果的见解[23,24]。在MOF-聚合物复合材料中，电化学响应与配位结构、界面相互作用和药物装载状态密切相关，使得电化学分析成为探究结构-性质关系的强大方法[25]。

基于这一设计理念，将基于锰的MOF（CP1）与功能化的SA-1组装成复合递送系统，然后加载Rg1形成SA-1@CP1@Rg1。使用单晶X射线衍射、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和粉末X射线衍射（XRD）系统地研究了CP1、化合物1及其所得复合材料的结构特征和逐步组装过程。结合电化学表征，阐明了控制电荷转移行为和氧化还原性质的结构-性质关系。最后，在高葡萄糖诱导的RGC损伤模型中初步评估了加载Rg1的复合材料的神经保护性能。本研究旨在建立基于MOF的药物递送的结构导向框架，并展示如何通过综合的结构和电化学分析来支持视网膜神经保护的复合系统的合理设计。

章节片段

化学物质和测量方法

除非另有说明，所有试剂和溶剂均来自商业供应商，按原样使用，无需进一步纯化。粉末X射线衍射（PXRD，Bruker D8-Advance，Cu Kα辐射，40 kV，40 mA）用于分析晶体结构和相组成，PANalytical X’pert Pro分析作为补充。傅里叶变换红外光谱（FT-IR，Spectrum-65，PerkinElmer）用于识别400–4000 cm?1范围内的官能团

CP1的结构描述

单晶X射线分析显示，CP1属于单斜晶系，空间群为P/n，具有1D之字形链结构。不对称单元由一个Mn(II)离子、两个N供体有机配体、一个配位的水分子和两个高氯酸根离子组成。高氯酸根离子的作用是平衡电荷。如图1a所示，中心的Mn(II)离子通过五个N原子（来自三个独立的有机配体）和一个配位的水分子形成六配位模型

结论

在这项工作中，成功构建并系统评估了一种逐步组装的复合体系（SA-1@CP1@Rg1），该体系由功能化的海藻酸钠、基于锰的配位框架和人参皂苷Rg1组成。通过单晶X射线衍射、FTIR和XRD进行的结构表征证实了CP1和化合物1的明确结构，以及复合材料组装过程中的结构演变。电化学分析显示，Rg1的掺入

伦理批准

不适用。

作者贡献

姜恒负责化学部分的实验；罗洪波负责生物学部分的实验；吴静和刘辉撰写了论文。

资助

本工作得到了浙江省医药与健康科学技术项目（2018RC018）和浙江省中医药科学技术项目（2016ZA033）的支持。

数据可用性声明

应要求，通讯作者将提供支持研究结果的数据。

CRediT作者贡献声明

姜恒：数据管理。罗洪波：正式分析。吴静：资金获取。刘辉：概念构思。

利益冲突声明

关于本研究的发表，作者声明没有利益冲突。