超临界二氧化碳辅助合成基于卟啉的共价有机框架，并构建光动力抗菌纺织品

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Supercritical CO2-assisted synthesis of porphyrin-based covalent organic framework and construction of photodynamic antibacterial textiles

　　熊小青|李静龙|甄美宇|刘东彦|李禹健|王昌|卢子义|吴星宇|郑环达|赵鸿娟

中国辽宁省超临界CO2无水染色重点实验室，大连工业大学，中国大连市青工园1号，116034

**摘要**

光动力抗菌疗法（PDAT）被认为是一种具有高抗菌效率和良好生物安全性的有前景的抗菌策略。基于卟啉的共价有机框架（Por-COFs）具有多孔结合结构和出色的稳定性，是高性能PDAT的理想平台。然而，Por-COF的合成在后续纯化过程中会面临结晶度损失的问题。本文利用超临界二氧化碳（scCO2）辅助，以2,5-二羟基对苯二甲醛和5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉（TAPP）作为单体，乙酸（HOAc）作为催化剂，N,N-二甲基甲酰胺（DMF）作为共溶剂，通过一锅法合成了Por-COFs。研究了DMF与HOAc的体积比（V(DMF):V(HOAc)）、scCO2压力、温度和反应时间对Por-COF形态和结晶的影响。结果表明，在V(DMF):V(HOAc)=8:7、8 MPa、70°C和72小时的条件下，合成了具有良好结晶度、吸附能力、光敏活性以及针对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的优异光动力抗菌效果的Por-COFs-HP。通过界面聚合结合原位拉伸纺丝-耦合扭转技术，将Por-COFs-HP嵌入尼龙-66（PA66）中，制备出了Por-COFs-HP@PA66纱线和交织织物。所制备纱线和织物的光敏性能和抗菌效果验证了Por-COFs-HP在PA66基质中的优异抗菌活性。本研究建立了一种利用scCO2辅助合成Por-COFs的方法，为基于COFs的抗菌纺织品的发展和实际应用提供了关键技术参考。

**引言**

根据世界卫生组织（WHO）的报告，近年来细菌感染已成为全球第二大死亡原因[1],[2]。随着公众对个人健康和环境卫生日益重视，实用的抗菌纺织品在医疗保健和日常服装领域受到了广泛关注[3]。因此，开发能够克服细菌耐药性同时又实现安全、高效和快速灭菌的纺织品成为纺织领域亟需突破的关键研究方向[4]。为应对细菌耐药性问题，最近的研究集中在无抗生素的替代策略上，包括抗菌肽[5]、噬菌体[6]、金属基抗菌疗法[7]和光动力抗菌疗法（PDAT）[8]。其中，PDAT因其非侵入性、良好的生物安全性和对耐药菌的强大杀菌活性而受到关注[9]。PDAT的机制利用了卟啉（PSs）。PSs在光激活下会产生短寿命但具有高细胞毒性的活性氧（ROS）[10]。这些ROS随后会对生物大分子（如脂质、蛋白质和核酸）造成氧化损伤，从而抑制病原微生物。PDAT的抗菌机制分为I型和II型[11]，取决于PSs产生ROS的途径。具体而言，光激活的PSs从基态（S0）跃迁到单线激发态（S1），再通过系间 crossing（ISC）到三线激发态（T1），从而引发两种不同的反应途径。第一条途径涉及与细胞底物的电子转移反应，产生超氧阴离子（O2·?）和羟基自由基（·OH）[12],[13]；第二条途径涉及能量转移给氧气，生成单线态氧（1O2）[15]。这两种途径最终都会对细菌细胞成分造成直接氧化损伤，导致细菌死亡。

迄今为止，二氧化钛（TiO2）[16]、银纳米粒子（AgNPs）[17]和氧化锌（ZnO）[18]被广泛用于抑制细菌，均表现出优异的抗菌活性。然而，当这些材料作为PDAT中的光敏剂时，其固有局限性变得明显。例如，TiO2需要紫外线（UV）光激发来产生ROS，这严重限制了其在自然光/可见光驱动场景下的应用。尽管AgNPs和ZnO具有显著的抗菌效果，但它们通常具有细胞毒性，并存在环境累积的风险[19]。除了上述无机光敏剂外，有机光敏剂（如伊红Y（EY）[20]、硼二吡咯甲烯（BODIPY）[21]、酞菁[22]和卟啉[23]在PDAT中也显示出巨大潜力。最新研究表明，将这些有机光敏剂加载到纺织材料上可以构建出一系列光响应性抗菌纺织品[24]，突显了它们在纺织领域的潜力。然而，常见的合成小分子光敏剂（如BODIPY、卟啉、酞菁）常因聚集效应（ACQ）而降低效果[25]。因此，开发减轻ACQ效应并提高ROS敏化效率的策略对于设计高性能光敏剂至关重要。

研究表明，共价有机框架（COFs）作为光敏剂具有优势[26]，包括丰富的多孔结构和结合结构、优异的光热稳定性、可回收性和多功能设计性。据报道[27]，COFs的多孔结构有助于氧和ROS的传递，其大的结合结构赋予窄带隙和宽吸收范围——这些是有效光动力抗菌性能的关键特征。利用COFs的优越性能，多项研究通过整合卟啉光敏剂[28],[29]制备了基于卟啉的COFs光敏剂（Por-COFs）。这些Por-COFs光敏剂在光动力疗法（PDT）中展现出良好的前景。此外，将Por-COFs光敏剂与纺织材料结合有望制备出安全、高效和快速的光动力抗菌纺织品。为了构建光动力抗菌纺织品，需要制备具有优异形态和结晶度的Por-COFs，这些性能主要受合成策略和反应条件的影响。常见的COF基光敏剂合成路线包括硼酸脱水三聚化、硼酸与儿茶酚的缩合、氰基自聚合和席夫碱反应[30]。其中，Por-COFs通常被归类为亚胺基COFs，最常见的合成方法是席夫碱反应。如文献所述，该反应通常由HOAc催化，并在二氧烷溶剂中进行。合成的亚胺基COFs需要真空活化进行后续纯化，但它们对这些严格条件非常敏感。在此过程中，溶剂蒸发常常导致COF结构变形和孔隙塌陷，使得Por-COFs变成结晶度低的无定形材料[31]。因此，开发一种在真空活化过程中能保持卟啉-COFs结晶度的温和合成方案成为关键研究重点。

最新研究表明，scCO2是一种出色的绿色溶剂，具有温和的临界参数（31.0°C，7.38 MPa）、高化学稳定性、良好的安全性、低成本和可回收性[32]。张等人首次使用scCO2辅助水作为反应介质，在室温下合成了结晶度高、纳米级的COF-LZU1，该过程简单、快速、能耗低且环保[33]。此外，李等人观察到scCO2可以在合成过程中将容易塌陷的COFs转化为稳定的结构[31]。即使经过真空活化或多次溶剂浸渍-活化循环，scCO2处理的COFs仍保持高结晶度和大的比表面积。这些发现证实了使用scCO2制备Por-COFs的可行性。因此，通过调节scCO2条件（如温度、压力和时间）来研究Por-COFs的结构和性能变化，是开发光动力抗菌纺织品的重要前提。

此类研究有望实现scCO2中Por-COFs的大规模制备，并将其合理整合到纺织品中，这是构建光动力抗菌纺织品的关键。传统的抗菌纺织品制备方法（如混合纺丝[34]、复合纺丝[35]和浸渍[36]存在固有的局限性。混合纺丝对光敏剂的热稳定性、分散性和聚合物相容性要求严格；复合纺丝制造成本高；而浸渍法制备的抗菌织物缺乏长期性能稳定性和可重复使用性。因此，探索将scCO2合成的Por-COFs与纺织品结合的新方法有望克服传统瓶颈，为抗菌纺织品的制备提供有前景的策略。

总体而言，本研究建立了一种利用scCO2辅助制备Por-COFs的稳健合成策略（图1）。以2,5-二羟基对苯二甲醛和TAPP作为单体，HOAc作为催化剂，系统研究了共溶剂DMF的用量、反应温度、压力和时间等关键工艺参数对Por-COF形态和结晶度的影响。扫描电子显微镜（SEM）和粉末X射线衍射（PXRD）表征确定了最佳合成条件，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）验证了高结晶度Por-COFs的化学结构。Brunauer–Emmett–Teller（BET）分析全面评估了优化后的Por-COFs的表面吸附性能。对比了最佳和最低结晶度Por-COFs之间的晶体相与ROS生成能力的关系。通过界面聚合将优化后的Por-COFs整合到PA66基质中，并结合原位拉伸纺丝和扭转工艺，制备出具有高效抗菌活性的PA66纱线。将这些纱线编织成尼龙/棉交织织物，得到了光动力抗菌纺织品。这种“合成-表征-功能化”一体化方法阐明了Por-COFs的结构-性能关系，验证了它们的光敏活性，并实现了先进抗菌纺织品的制备，为未来关于COF晶相调控、功能修饰和抗菌纺织品开发的研究提供了关键机制见解和技术参考。

**试剂和材料**

DMF、乙腈（CH3CN）、无水乙醇（C2H5OH）和乙酸（HOAc）购自 Guangdong Guanghua Sci-Tech Co., Ltd.（中国广州）；2,5-二羟基对苯二甲醛、TAPP和磷酸盐缓冲盐水（PBS，pH 7.4）购自 Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.（中国上海）；高纯度CO2（纯度≥99.99%）由 Zhonghao Guangming Research Institute of Chemical Industry（中国大连）提供；2',7'-二氯二氢荧光素（DCFH）、二氢罗丹明123购自……（原文此处数据缺失）

**共溶剂和scCO2条件对Por-COFs形态的影响**

scCO2是一种非极性溶剂，难以理想地溶解卟啉-COF合成所需的单体，因此选择DMF作为共溶剂。此外，加入少量HOAc以催化2,5-二羟基对苯二甲醛和TAPP的缩合。DMF和HOAc的用量直接影响体系中的单体浓度，进而影响卟啉-COF的结晶。为了分离共溶剂与催化剂比例对卟啉-COF性能的影响……

**结论**

总之，本研究使用2,5-二羟基对苯二甲醛和TAPP作为单体，HOAc作为催化剂，DMF作为共溶剂，在scCO2的帮助下通过调节反应条件实现了Por-COFs晶体结构和形态的定向优化。通过不同分析确认，在最佳条件（V(DMF):V(HOAc) = 8:7、8 MPa、70°C和72小时）下制备的Por-COFs-HP表现出相对良好的结晶度、孔隙体积和特定……

**未引用参考文献** [14]; [37]; [49]; [50]; [51]; [52]

**CRedI作者贡献声明**

甄美宇：实验研究、数据整理。
刘东彦：方法学研究、数据整理。
熊小青：写作–审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念构思。
李静龙：写作–初稿撰写、可视化、方法学研究、数据分析。
李禹健：实验研究、数据整理。
吴星宇：实验研究、数据整理。
卢子义：实验研究、数据分析。
王昌：……

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。

**致谢**

本工作得到了中国国家自然科学基金（21606032）、辽宁省自然科学基金计划（2022-MS-349）、辽宁省教育厅青年项目（LJKQZ2021117）、大连工业大学精细化工国家重点实验室（KF2305）、新疆生产和建设农作物“高端人才公开招聘”项目（Bt2024-01）以及FuXiaQuan国家自主创新示范区的支持。