编辑推荐：
氢键有机框架（HOFs）作为金属-free多孔材料，在酶封装和生物传感中展现独特优势，其可调孔径和高生物相容性有效稳定酶活性并提升催化效率，同时与光学、电化学等信号技术结合实现高灵敏度检测。当前面临框架生理稳定性不足、规模化制备困难及器件集成挑战，未来需优化合成策略并推动临床转化。
Bing Liu|Jiahui Cheng|Tingyuan Zheng|Sapana Jadoun|Parashuram Kallem|Garima Tripathi|Rakesh Kumar Gupta|Zhongquan Li|Di Sun
上海体育大学兴奋剂控制研究所，中国上海200438
摘要
氢键有机框架（HOFs）作为一种多功能、无金属的多孔材料，因其在酶封装和生物传感应用中的巨大潜力而受到广泛关注。尽管它们具有天然的生物相容性和可调节的孔隙率，但在生理条件下的稳定性以及可扩展合成方面仍存在挑战。在这篇综述中，我们全面总结了HOF工程领域的最新进展，以提高酶封装效率、稳定性和催化活性。该框架整合了分子设计策略，包括氢键作用、选择性生物分子识别、孔径调节以及与辅因子的共封装，从而在恶劣条件下延长酶的活性。此外，我们还介绍了基于HOF的先进材料作为高性能生物传感平台的应用，这些材料结合了光学、电化学和拉曼技术，实现了超灵敏的生物分子和疾病标志物检测。同时，我们讨论了基于HOF的复合材料在生物医学和治疗领域的新兴应用，如细胞保护、靶向药物递送和生物正交催化。本文还批判性地评估了关键挑战，如生理条件下的框架稳定性、合成可扩展性以及设备集成问题，并指出了未来在临床转化和工业应用方面的研究方向。总体而言，这些进展使基于HOF的系统成为下一代材料，适用于高效、多功能的双生物催化和诊断应用。
引言
氢键有机框架（HOFs）是一类高度多功能的多孔材料，由于其显著的特性和多样的应用而受到多个科学领域的关注[1],[2]。这些材料通过有机构建块之间的非共价氢键相互作用形成，具有多种优势，包括在温和条件下易于合成、结构灵活性强以及出色的生物相容性[3],[4]。其模块化结构使研究人员能够调节孔径、稳定性和功能[5]。最近的进展包括电荷辅助的HOFs，它们增强了框架的稳定性并引入了响应性或动态行为[6]，以及MTBA型框架和其他功能性类似物，这些框架表现出永久的孔隙率并具有选择性吸附能力[7],[8]。因此，HOFs被应用于药物递送、环境监测、组织工程和催化等多个领域[9],[10],[11]。它们的高表面积、可调孔隙率和选择性分子识别能力使其在这些领域成为开发先进材料的理想选择[12],[13]。与此同时，金属-有机框架[14]、共价有机框架[15]和沸石[16]也在分离、催化、气体储存和分子识别方面提供了相关的方法，为设计高性能材料提供了更广阔的视角。
HOFs最引人注目的特性之一是它们能够在多孔结构中稳定并封装酶[17],[18]。酶对pH值、温度和蛋白酶降解等环境因素非常敏感，在恶劣条件下常常会失去催化活性[19]。HOFs通过可逆的氢键相互作用为酶创造了一个保护性微环境，有助于保持其天然构象和催化活性[20]。这种稳定性在生物催化中尤为重要，因为酶需要在长时间和变化的操作条件下保持高效率[21],[22]。此外，HOFs还可以将酶与必需的辅因子共封装，从而通过底物导向和辅因子再生来提高催化效率，模拟天然酶促途径，改善反应速率和选择性[23],[24]。
除了酶的稳定化之外，HOFs在生物传感应用中也显示出巨大潜力[25],[26],[27]。HOFs的高表面积、可调孔隙率和分子识别能力使其能够高效捕获生物分子（如酶、蛋白质和核酸），即使在复杂的生物基质中也是如此（图1）[28],[29]。这使它们成为开发高灵敏度和选择性生物传感器的理想候选材料。通过将HOFs与各种信号转导技术（如荧光、电化学发光和表面增强拉曼散射（SERS）结合，研究人员开发出了能够检测极低浓度生物标志物的传感器。这些进展使得实时、原位监测生物分子成为可能，这对于即时诊断（POC）和个性化医疗至关重要[30],[31],[32]。
尽管HOFs具有巨大潜力，但其实际应用仍面临若干挑战。HOFs在生理条件下的稳定性是一个关键问题，因为接触生物液体和酶会导致其性能随时间下降[6]。此外，当前的合成方法复杂，导致产量的限制，这限制了HOFs的大规模生产及其在工业和临床应用中的转化[33]。此外，将HOFs集成到微型POC诊断设备中还涉及设备制造、可重复性和成本效益等方面的挑战。
本文全面总结了基于HOF的酶封装和生物传感系统的最新进展。我们讨论了HOFs的设计原理，包括氢键作用、孔径调节和分子识别在稳定酶和提升催化性能中的作用。此外，还探讨了HOFs在生物传感平台中的集成，强调了信号转导方法的进步，以实现敏感的生物分子检测。本文还指出了基于HOF的技术在广泛应用中面临的挑战，并概述了旨在提高其可扩展性、稳定性和临床适用性的未来研究方向。
与其他多孔材料的比较（在酶封装方面）
由于独特的非共价氢键组装方式、高生物相容性和可调孔隙率，HOFs作为生物传感和酶封装材料受到了广泛关注[34],[35]。与其他多孔材料（如金属-有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）相比，HOFs在生物分子检测方面具有明显优势（表1）[34],[35]。MOFs由金属离子与有机配体配位而成
HOFs的酶封装机制
HOFs中的酶封装过程利用了HOFs的独特性质来提高酶的稳定性、活性和重复使用性。该过程涉及的机制包括：
HOFs在酶封装、检测和生物催化中的应用
HOFs已成为一种多功能平台，用于酶封装，在生物催化和其他应用中提供了更高的稳定性、催化效率和性能。它们的可调孔径、生物相容性和强氢键作用使得酶能够有效封装，从而防止热变性、蛋白酶降解以及不同pH值和有机溶剂等恶劣条件的影响[26]。与MOFs不同，HOFs提供了一个无金属且生物相容的环境，保持了酶的活性
挑战与展望
总之，HOFs已成为酶封装、生物催化和诊断生物传感应用中的高度多功能材料。它们独特的非共价氢键相互作用形成了一个无金属、高孔隙度的结构，具有出色的生物相容性、可调孔隙率和高表面积。这些特性使HOFs能够高效封装酶，保护它们免受热变性、蛋白酶降解和化学应力的影响，同时保持其功能
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了上海体育大学（项目编号：2025STD004）和中国国家自然科学基金（项目编号：22325105、92361301、52261135637、22171164、W2532015）的支持。
