自由基清除型抗坏血酸锌金属有机框架中一氧化氮捕获与释放的机制解析

《Small Science》：Mechanistic Insights Into Nitric Oxide Capture and Release in a Radical-Scavenging Zinc Ascorbate Metal–Organic Framework

　　

高效捕获与可控释放一氧化氮（Nitric Oxide, NO）对于治疗性气体递送至关重要。本研究针对生物相容性金属有机框架（Metal–Organic Framework, MOF）bioNICS?1及其丙酸改性类似物（bioNICS?1?actPA）开展NO吸附行为研究。结构调控显著提升了NO的吸附量与保留能力，平衡等温线与显著的脱附滞后现象证实了较强的主客体相互作用。粉末X射线衍射（PXRD）与透射电子显微镜（TEM）揭示了吸附诱导的晶胞自适应畸变，动力学与密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算确定了多个结合位点及不同的相互作用强度。可控释放实验表明，湿度可触发NO脱附，实现精细调节的气体递送。该工作首次揭示了MOF中此前未被报道的NO结合机制，并将自由基清除型连接体确立为一种靶向气体捕获的重要设计理念，使bioNICS?1成为下一代治疗性气体递送技术的多功能平台。

一氧化氮（NO）作为一种重要的信号分子，在血管调节、神经传递、血管新生、炎症及创伤修复中发挥关键作用。金属有机框架（MOF）因其高比表面积和可调孔道结构，在治疗性气体储存与控释领域备受关注。然而，传统MOF多依赖配位不饱和金属位点（CUSs）实现NO吸附，而利用连接体本身的化学活性进行吸附的策略尚处于起步阶段。特别是，将具有生物活性的自由基清除剂（Radical Scavengers, RS）作为连接体用于NO吸附与释放的研究仍属空白。本研究由研究人员以抗坏血酸锌基MOF（bioNICS?1）为模型体系，旨在探索将氧化还原活性连接体与金属节点结合，以实现高效NO存储与可控释放的双重功能设计。

研究人员采用缺陷工程策略，通过丙酸（Propionic Acid, PA）调控合成bioNICS?1?actPA，并结合多种表征与模拟方法展开系统研究。主要关键技术方法包括：利用气体吸附等温线分析NO吸附容量与动力学；采用原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）监测吸附物种演化；通过高分辨扫描透射电子显微术（STEM）观察局部结构变化；运用密度泛函理论（DFT）计算吸附位点与能量；并在液相环境中使用氧合血红蛋白法与Griess法评估NO释放行为。

2.1 NO吸附过程与动力学

研究人员测定了25℃下的NO平衡等温线，发现PA改性后材料的最大吸附量从3.7 mmol·g^?1提升至4.8 mmol·g^?1，且两种材料均表现出显著的脱附滞后，分别保留了96.5%与99.0%的NO，表明强主客体相互作用。动力学分析显示，原始bioNICS?1的吸附速率较快（k = 0.136 min^?1），符合Avrami模型的多步过程；而bioNICS?1?actPA的吸附受扩散控制，速率较慢（k = 0.0145 min^?1），但总吸附量更高。

2.2 NO诱导的结构变化

PXRD结果显示，NO吸附后材料低角度峰保留但高角度峰消失，表明长程有序部分丧失并产生局域无序。高分辨STEM进一步证实，NO吸附引起晶格沿不同方向的各向异性畸变，部分区域晶面间距从1.49 nm增至1.55 nm，而其他方向保持不变，体现了框架的柔性适应。

2.3 NO吸附与脱附过程的机制与计算解析

原位DRIFTS光谱检测到三种NO物种：气相NO（1906 cm^?1）、物理吸附NO（1802 cm^?1）及连接体结合的亚硝酰基（NO^?，1353 cm^?1）和Zn?O?NO（1290 cm^?1）。吸附过程呈顺序进行：NO首先快速与抗坏血酸连接体的羟基形成氢键结合，随后缓慢配位至Zn?O无机节点。DFT计算确认了两个主要结合位点：连接体位点（吸附能?32 kJ·mol^?1）与Zn节点位点（?41 kJ·mol^?1），且水分子的吸附能更强（分别为?79 kJ·mol^?1与?84 kJ·mol^?1），解释了湿度触发的NO置换脱附机制。

2.4 液相环境中的NO释放研究

氧合血红蛋白法显示，原始bioNICS?1在10分钟内几乎完全释放NO，而bioNICS?1?actPA可持续约2小时。Griess法测得初始30分钟NO释放量分别为57 μM与36 μM，且改性材料的总释放量更高、持续时间更长，印证了其更强的NO?框架相互作用与扩散控制的释放模式。

2.5 未来展望

bioNICS?1的细胞毒性测试显示其IC₅₀在48.21–53.15 μg·mL^?1范围内，符合生物医学应用的安全阈值。与需要氨基功能化的传统MOF不同，bioNICS?1无需额外修饰即可实现高效NO吸附，且吸附过程本身即可激活CUSs，具备规模化与安全应用的潜力。研究人员指出，bioNICS?1的快速释放特性可与长效释放材料（如MIP?210）联合应用于糖尿病伤口等临床场景，以实现短期抗菌与长期促愈合的协同效果。

结论

本研究验证了自由基清除型连接体在MOF气体吸附中的功能，揭示了连接体与金属节点的协同吸附机制，并通过缺陷工程实现了对NO吸附与释放行为的精准调控。bioNICS?1在生理条件下可通过湿度触发实现可控NO释放，为治疗性气体递送系统的理性设计提供了新的材料平台与应用方向。该研究发表于《Small Science》。