一种通用、绿色的pH敏感型ZIF-67用于封装活性物质的策略

《Smart Molecules》：A general and green approach of pH-sensitive ZIF-67 for encapsulating active substances

本研究报道了一种简便、绿色的ZIF-67（zeolitic imidazolate framework-67）一锅法合成策略，以去离子水为溶剂，在室温条件下2小时内即可实现对多种亲疏水性活性物质(AS)的有效封装。所得AS@ZIF-67复合材料表现出优异的pH响应性缓释性能（如CA@ZIF-67符合一级动力学，EGCG@ZIF-67符合Fickian扩散）及在酸性条件下显著增强的协同抗菌活性。该工作通过蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟、修正附着能(MAE)理论及分子动力学(MD)模拟深入揭示了其形成与释放机制，为构建多功能的递送平台提供了新思路。

　　

一种通用、绿色的pH敏感型ZIF-67用于封装活性物质的策略

1 引言

活性物质(Active Substances, AS)，包括香料、多酚、蛋白质、维生素和药物等，常因化学不稳定性和低生物利用度限制其应用。金属有机框架(MOFs)，特别是沸石咪唑酯骨架ZIFs，因其高比表面积、可调孔径和良好的负载能力成为理想的递送载体。其中，钴基ZIF-67相较于广泛研究的锌基ZIF-8，具有更强的金属-配体配位、更好的热/化学稳定性，其钴离子可参与类芬顿反应产生活性氧(ROS)，兼具递送与额外治疗功能。然而，传统的ZIF-67合成或负载方法常涉及有毒有机溶剂、多步骤后合成修饰，过程繁琐且环境不友好。因此，开发一种温和、绿色的通用型合成与封装策略具有重要价值。

2 材料与方法

本研究以去离子水为唯一溶剂，在室温常压条件下，将六水合硝酸钴(Co(NO₃)₂·6H₂O)与2-甲基咪唑(Hmim)以摩尔比Co²⁺: Hmim: H₂O = 1: 58: 4000混合，500 rpm搅拌2小时，成功合成了ZIF-67。通过一锅法，在合成体系中直接加入目标AS（如肉桂醇CA、苯甲醛BA、表没食子儿茶素没食子酸酯EGCG等），即可制备AS@ZIF-67复合材料。采用紫外-可见(UV-Vis)光谱法测定负载率(LR)和释放曲线，通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、氮气吸附-脱附等手段对材料进行表征。抗菌实验选用大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)，通过平板菌落计数法评估活性。此外，还运用了蒙特卡罗模拟、分子动力学模拟和修正附着能理论，从分子层面探究了封装、生长和释放机制。

3 结果与讨论

3.1 ZIF-67的生长过程与表征

与需要有毒溶剂、高温高压的传统方法不同，本研究在常温常压(N.T.P.)的水相中成功合成了ZIF-67。通过不同反应时间点的SEM和XRD追踪发现，其生长经历了从无定形纳米片（5分钟）到粗糙颗粒（30分钟），最终形成均匀菱形十二面体（120分钟）的演变过程，平均尺寸约为1682.74 ± 74.01 nm。XRD谱图与标准卡片匹配良好，证实了ZIF-67的成功合成。BET比表面积达1289.35 m²/g，孔径为5.21 nm。热重分析(TGA)显示材料在450°C以下具有良好的热稳定性。修正附着能模型预测其生长形态为菱形十二面体，与实验结果一致。元素分布图证实了C、O、N、Co的均匀分布，且材料在PBS中储存20天仍能保持优异的胶体稳定性。实验室规模的放大合成也得到了形貌、结晶度一致的产品。

3.2 AS@ZIF-67一锅法合成的通用性

为验证该策略的普适性，研究封装了多种AS，包括疏水性香料分子（CA、BA、肉桂腈CN等）、亲水性多酚（EGCG、没食子酸GA、姜黄素Cur）、疏水性化学药物（喜树碱CPT、派姆单抗PEM）、荧光染料（罗丹明B, RhB）以及亲水性大分子蛋白质（溶菌酶、牛血清蛋白BSA）。SEM显示，大部分AS@ZIF-67保持了多面体形貌，而多酚@ZIF-67呈颗粒状，CPT@ZIF-67和RhB@ZIF-67呈立方体形貌，大分子蛋白的封装则导致表面更圆润甚至碎裂。不同AS的引入可调控最终颗粒尺寸，例如含氰基的CN具有碱性，可促进配体去质子化，从而减小CN@ZIF-67的粒径。负载率(LR)在12.17% (CA) 到 56.11% (GA) 之间，表明分子尺寸和极性均影响封装效率。XRD证实所有AS@ZIF-67均保持了ZIF-67的晶体结构。Zeta电位和FT-IR、XPS分析（如EGCG@ZIF-67在C 1s谱中出现C=O特征峰）均证实了AS的成功封装。氮气吸附显示CA@ZIF-67和EGCG@ZIF-67的比表面积分别为1342.13和729.88 m²/g。

3.3 AS@ZIF-67的蒙特卡罗模拟

以CA和BA为例的蒙特卡罗吸附模拟表明，每个ZIF-67晶胞平均可负载5.51个CA分子或8.93个BA分子，这与实验测得的负载率定性关系一致。模拟计算的平均等量吸附热显示，BA分子（20.23 kcal/mol）比CA分子（24.02 kcal/mol）更易于吸附或脱附。模拟最低能量构象显示，所有香料分子均被封装在ZIF-67的“笼状”结构中，每个笼最多可容纳3个CA或5个BA分子。

3.4 CA@ZIF-67和BA@ZIF-67的分子动力学模拟

通过分子动力学模拟探究了AS分子在ZIF-67笼间的扩散与释放行为。平衡动力学模拟发现，初始置于笼边界的CA或BA分子会自发进入笼中心并保持稳定，表明ZIF-67具有自发负载AS的能力。非平衡的牵引分子动力学模拟则通过施加外力将分子从一个笼拉至相邻笼。结果显示，将CA分子拉出所需的最大牵引力高于BA分子，表明CA在ZIF-67中结合更稳定，而BA更易释放，这与吸附模拟结果相互印证。

3.5 AS的pH响应性释放曲线

利用ZIF-67在中性环境中稳定、在酸性条件下分解的特性，研究了CA@ZIF-67和EGCG@ZIF-67的pH响应释放行为。游离的CA和EGCG在6小时内快速完全释放，且基本不受pH影响。而封装后的AS表现出显著的缓释和pH响应性：在酸性条件(pH 5.5)下，CA@ZIF-67在12小时内释放约70%，48小时达到平衡；EGCG@ZIF-67在12小时和48小时分别释放约37%和53%。在模拟生理环境(pH 7.4)下，两者的累积释放量均降低约10%。动力学模型拟合表明，CA@ZIF-67的释放最符合一级动力学模型(R²> 0.99)，表明释放主要由浓度梯度驱动。EGCG@ZIF-67的释放则最符合Korsmeyer-Peppas模型(R²> 0.98)，扩散指数n值在0.25-0.29之间(<0.45)，表明其释放机制为Fickian扩散，配位键的断裂可能为扩散提供了动力。

3.6 抗菌性能

通过亚甲基蓝(MB)褪色实验评估了CA@ZIF-67介导的类芬顿反应产生活性氧(·OH)的能力。在酸性条件(pH 5.5)下，CA@ZIF-67与H₂O₂共同作用可显著降解MB，而在中性条件下则无此效果，证明酸性环境对反应至关重要。针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌实验表明，CA@ZIF-67和EGCG@ZIF-67均表现出优于游离AS或单独ZIF-67的协同抗菌活性，且具有明显的pH依赖性。在pH 5.5的酸性条件下，由于Co²⁺和AS的有效释放，协同产生高毒性的·OH并破坏微生物细胞膜，抗菌效果显著增强。例如，CA@ZIF-67在pH 5.5时对E. coli的抑制率高达95.14%，而在pH 7.4时为43.49%。

3.7 体外细胞毒性试验

以人正常肝细胞L02为模型，评估了ZIF-67、CA@ZIF-67和游离CA的细胞毒性。在低浓度(<40 μg/mL)下，ZIF-67和CA@ZIF-67均能保持细胞存活率在80%以上，显示出良好的生物相容性。在高浓度下，ZIF-67导致的细胞活力下降可能与Co²⁺离子的释放有关。总体而言，在测试浓度范围内，材料对L02细胞未表现出显著的毒性风险。

4 结论

本研究成功开发了一种简单、温和的ZIF-67一锅法合成策略，能够通用性地封装从疏水性到亲水性、从小分子到大分子的多种活性物质。系统研究了ZIF-67的生长过程，并通过表征、理论计算、控释及抗菌实验详细探讨了AS@ZIF-67的多功能性及生长机制。分子模拟从微观层面揭示了不同AS分子的负载特性与形貌关系。该工作为多功能AS@ZIF-67的绿色合成开辟了新途径，并为在分子水平理解乃至改进相关MOFs材料作为递送载体的性能指明了方向。