经过适配体修饰的中孔金属有机框架具有超高的吸附能力，能够选择性分离乳铁蛋白

《Journal of Chromatography A》：Aptamer-functionalized mesoporous metal-organic framework with ultrahigh adsorption capacity for selective isolation of lactoferrin

纳米乳液组装法制备的Zr基介孔MOF MPAUiO经乳铁蛋白aptamer（LFA）修饰后形成LFA@MPAUiO复合材料，通过氢键作用实现高选择性乳铁蛋白吸附（1308 mg g?1），1% NH?·H?O可高效回收（92.8%），纯化乳铁蛋白具有显著抗氧化活性，为生物大分子分离提供新策略。

　　

韩龙|张梅|陈伟|张慧慧|陈旭伟

东北大学理学院化学系分析科学研究中心，中国沈阳110819，邮政信箱332

摘要

通过纳米乳液引导组装技术，以聚醚化合物作为软模板制备了基于锆的中孔MOF材料MPAUiO，然后利用Schiff碱反应用乳铁蛋白适配体（LFA）对其进行修饰，得到具有适配体功能的介孔复合材料LFA@MPAUiO。适配体碱基与蛋白质氨基酸残基之间的多重氢键相互作用赋予了LFA@MPAUiO复合材料对乳铁蛋白良好的吸附选择性。热力学研究表明，LFA@MPAUiO对乳铁蛋白的吸附行为符合Langmuir等温模型，在pH 5条件下具有高达1308 mg g^-1的超高吸附容量。使用1.0% NH₃·H₂O（v/v）可以有效回收吸附的蛋白质，回收率为92.8%。SDS-PAGE分析证明，可以使用LFA@MPAUiO复合材料从牛乳清中分离出高纯度的乳铁蛋白。体外抗氧化实验表明，分离出的乳铁蛋白具有较高的抗氧化活性。该研究充分表明，基于LFA@MPAUiO的蛋白质分离方法在实际应用中具有巨大潜力。

引言

金属有机框架（MOFs）是一类由金属簇和有机配体组成的有序多孔材料。由于其介孔结构可以通过合理选择构建块分子进行系统调节，MOFs在气体储存、吸附、催化、传感和药物输送等多种潜在应用中表现出优异的性能。然而，迄今为止报道的许多微孔范围内的MOFs在孔结构内的质量传递和扩散能力有限，使得底物难以到达或接近MOFs晶体内的活性位点[1]。因此，近年来，制备具有介孔结构的MOFs以促进质量传递和扩散已成为多孔材料领域的研究热点[2,3]。与传统MOFs相比，梯度多孔MOFs同时保留了微孔和典型的介孔结构，这不仅有利于控制尺寸选择性，还有助于较大底物分子进入结构。因此，虽然显著增加了材料的表面积，但可以为大分子提供足够的扩散空间[4,5]。

乳铁蛋白（LF）是一种天然存在的铁结合糖蛋白，由多种哺乳动物（包括人类）的黏膜上皮细胞和中性粒细胞分泌。乳铁蛋白可以与脂多糖、肝素、DNA和金属离子相互作用，参与许多重要的生理过程，并具有抗氧化、抗菌、抗病毒和抗炎功能[6]。乳铁蛋白的结构灵活性与其在体内的多种生物功能密切相关，如宿主防御、抑制肿瘤生长[7]、酶活性[8]、抗菌活性[9]以及调节细胞增殖和分化[10]。研究表明，人体内乳铁蛋白水平的异常与某些严重疾病有关，乳铁蛋白已被提出作为特定疾病（如炎症性肠病（IBD）[11]、阿尔茨海默病（AD）[12]和干眼症（DED）[13]）的潜在生物标志物。

随着对乳铁蛋白生物功能的理解，其工业应用越来越受到关注。商业化的乳铁蛋白产品主要从牛奶中提取，常用的分离技术包括阳离子交换[14]、色谱法[15]、膜分离[16]和固相萃取[17]等。其中，固相萃取因操作简便和效率高而被广泛采用。使用高效吸附剂（如Fe₃O₄@Conc A [18]、磁性PGMA-heparin [19]、Fe₃O₄@PCL-CMC-Zn [20]和B掺杂TiO₂ [21]）已成功从牛奶乳清中分离出高纯度的乳铁蛋白。核酸适配体是短链合成单链寡核苷酸（单链DNA或RNA），由于其与传统抗体的功能类似，通常被称为“人工抗体”。通过折叠成不同的二级和三级构象，适配体能够以极高的亲和力和特异性结合目标分子（如蛋白质）[22,23]。

在本研究中，首先使用高分子量的聚醚Pluronic P123和Pluronic F127嵌段共聚物作为软模板，通过高氯酸根离子辅助的纳米乳液引导组装制备了具有分级孔结构的基于锆的MOF材料（MPAUiO）。MPAUiO中的大开口介孔通道为修饰提供了丰富的活性位点。随后，通过使用戊二醛（GA）作为交联剂，将乳铁蛋白适配体（LFA）与MPAUiO结合，得到具有适配体功能的介孔复合材料LFA@MPAUiO。得益于适配体碱基与乳铁蛋白氨基酸残基之间的分子间氢键相互作用，利用LFA@MPAUiO复合材料作为吸附剂实现了对乳铁蛋白的选择性和高效分离。LFA@MPAUiO复合材料对乳铁蛋白的吸附容量高达1308 mg g^-1，并且通过从牛乳清中快速高效地分离乳铁蛋白验证了其实用性。从实际样品中获得的乳铁蛋白表现出良好的体外抗氧化活性。与工业生产中基于商业树脂的乳铁蛋白分离方法相比，基于LFA@MPAUiO的分离方法具有分离时间短和产物纯度高的优势。

部分摘录

基于锆的介孔MOF MPAUiO的制备

根据已有文献中的方法对基于锆的介孔MOF材料MPAUiO进行了少量修改后进行制备[24]。简要步骤如下：将100 mg Pluronic P123和50 mg Pluronic F127溶解在6 mL去离子水中，然后加入乙酸（0.8 mL）、NaClO₄·H₂O（300 mg，1 mmol）和160 μL甲苯。搅拌混合液形成纳米乳液溶液。随后加入ZrCl?（233 mg）和BDC-NH₂（100 mg），并在40°C下继续搅拌12小时。

LFA@MPAUiO复合材料的制备与特性

LFA@MPAUiO的制备过程如图1所示。首先使用P123和F127作为共稳定剂、甲苯作为油相以及ClO₄^-作为介质，合成介孔MPAUiO纳米球。Pluronic共聚物在ZrCl₄/乙酸/NaClO₄水溶液中聚集，形成以PPO嵌段为核心、PEO冠层包围的棒状胶束。

由于PEO段可以通过配位与多价金属物种形成冠醚型复合物

结论

总之，通过高氯酸根离子辅助的纳米乳液引导组装成功合成了具有分级孔结构的基于锆的MOF复合材料LFA@MPAUiO，用于从牛乳清中特异性分离乳铁蛋白。MPAUiO的分级介孔结构和大表面积为后续适配体修饰提供了丰富的位点。LFA@MPAUiO复合材料对乳铁蛋白的吸附行为符合Langmuir等温模型，也适用于其他蛋白质物种

CRediT作者贡献声明

韩龙：撰写初稿、软件使用、数据分析、概念构建。张梅：撰写初稿、数据可视化、软件使用、实验研究、数据分析、概念构建。陈伟：数据分析。张慧慧：数据分析。陈旭伟：撰写修订稿、项目监督、资源协调、实验研究、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢四川省智能警务重点实验室开放项目（ZNJW2024KFZD005）和中央高校基本科研业务费（N232410019）的财政支持。