2.2 微波辅助法

微波辅助法是有机合成中一种常见的方法,近年来被广泛用于合成无机纳米材料和金属有机框架纳米材料。这种方法是基于电磁波与富电荷材料的相互作用,如溶剂中的极性分子或固体中的导电离子,热能直接从热源传递至结晶的结合位点,因此这种方法的反应速度要比溶剂热法快得多,并可得到更小的颗粒尺寸。Soldatov等利用微波辅助法合成的ZIF-8,形貌规整且结晶度高,直径为400 nm,比表面积高达1419 m2·g-1,远高于溶剂热法合成的ZIF-8。此外,Jeong等结合微波辅助法和溶剂热法合成的ZIF-8对异丁烷与正丁烷、丙烷和丙烯均有出色的分离能力。

2.3 微流控法

微流控技术在近年来发展迅速,将这种技术应用于化学合成中则具有传热和传质方面的优势,是制备纳米颗粒广泛而有效的方法。一般来说,MOF纳米颗粒通常是在间歇条件下合成的,但是近年来,越来越多的研究者尝试用微流控技术来合成ZIF-8。利用微流控技术控制ZIF-8的成核和结晶过程,可以合成尺寸均匀、形貌规整的ZIF-8,并可在较宽范围内调节粒径。Mae等利用微流控技术研究了温度、投料比和流速对ZIF-8的粒径影响,发现降低温度可减缓ZIF-8的结晶速度,有效降低所得ZIF-8的粒径。2-甲基咪唑与锌离子的投料比也影响ZIF-8的粒径,过量的2-甲基咪唑覆盖在ZIF-8表面延缓晶核的增长,所以2-甲基咪唑与锌离子的摩尔比越大,合成的ZIF-8粒径越小;Re<2000(Re为雷诺指数)时,微流体为层流状态,增大流体的流动速率能减小合成的ZIF-8粒径,Re>2000时,流体为层流与湍流的过渡状态,ZIF-8 的粒径不再依赖于流速。

3 ZIF-8粒径调控

粒径是ZIF-8的一个重要参数,它对材料的性能,如表面积和孔隙率有重要影响,因此控制粒径对于ZIF-8的应用和改进有重要意义。然而由于反应参数(试剂浓度、反应时间、温度)与合成结果的关系难以建立,因此反应的优化与调整主要是靠直觉或在大规模筛选的基础上来完成和设计的,这大大浪费了科研工作者的时间和精力,因此,建立起合成参数与结果相对应的联系对于ZIF-8的可控合成是十分必要的。在过去十年里,对于ZIF-8的合成参数研究已经取得很大的进步,这主要集中于对ZIF-8的成核和生长的探究,试剂浓度、溶剂、反应时间、温度、传质方法等都会对ZIF-8的成核和结晶产生影响(图2)。

图2 纳米晶的尺寸对增强材料比表面积的重要性示意图

3.1 ZIF-8的形成机理

结晶过程是化学和材料领域的一项长期挑战,有大量的理论、假设和模型适用于各种晶体的形成。ZIF-8的形成,包括成核和晶体生长两个过程。首先,过量的2-甲基咪唑去质子化与锌离子配位形成晶核,然后晶核迅速增长形成ZIF-8纳米晶颗粒,最后中性的2-甲基咪唑与带正电的ZIF-8结合使反应终止(图3)。

图3 扩散理论下ZIF-8的结晶模型

同质成核作为成核的一个简单、通用的模型,被广泛用于解释ZIF-8等由氮或氧原子连接金属四面体节点形成纳米晶结构的结晶行为。同质成核是晶体形成的初始过程,少量原子、离子或者分子重新排列成足够大的晶核,进一步形成宏观的纳米晶体。这是最经典的成核理论,即在浓度过饱和条件下,成核使体系的自由能减小,所以这一过程是自发进行的。

在过饱和条件下,晶体生长对体系的热力学稳态是有利的,可减小体系的吉布斯表面自由能。依赖于热力学的ZIF-8生长动力学建立于扩散理论的基础之上:ZIF-8在溶液中的生长是通过小单体在晶体表面的扩散和随后的结合来完成的。晶核表面的生长取决于试剂的过饱和水平,即在较低过饱和度下,晶体表面的相对过饱和度较高,因而ZIF-8的生长为二维增长;随着过饱和度的增加,结晶生长驱动力增大,生长单元开始整合到晶体表面的任何位置,最终得到完整晶体。值得注意的是上述两个过程是相互关联和影响的。

3.2 ZIF-8 的粒径调控

基于上述ZIF-8的成核和生长原理,ZIF-8的粒径调节方式可以归纳为如下三个方面:反应参数的调整、表面活性剂调节和结晶调节剂的参与。

3.2.1 反应参数的调整

反应时间、温度、搅拌速度和投料比等参数都会对ZIF-8的粒径产生重要影响。降低温度可以降低ZIF-8的晶核形成与生长速率,所形成的晶核增加,相应地,所合成的ZIF-8粒径小且均匀。Onia等在冰浴的条件下合成了粒径均匀,直径为60nm的ZIF-8纳米颗粒,其尺寸比在室温条件下合成的ZIF-8小得多,并且孔结构、热稳定性、比表面积均未发生明显变化。调整2-甲基咪唑与锌离子的投料比也是控制ZIF-8粒径的一种重要方法,过量的2-甲基咪唑与溶剂的质子化作用是形成ZIF-8晶核的基础,同时,过量的中性2-甲基咪唑会吸附于晶核的表面从而减缓晶核的增长,所以ZIF-8的粒径随着投料比的增加而减小。但这种方法虽然能简单有效地得到尺寸从几微米到几十纳米的ZIF-8,但也造成了原料的严重浪费,产率极低。例如,Hou等通过调节2-甲基咪唑与锌离子的摩尔比,合成了直径100nm～1μm的ZIF-8,且随着2-甲基咪唑与锌离子摩尔比的增加,所得ZIF-8的结晶度逐渐增加,且其比表面积和孔体积均有所增加。

3.2.2 表面活性剂调节

表面活性剂的分子结构具有两亲性:一端为亲水基团,另一端为长链疏水基团。它可以作为ZIF-8生长的封端剂,从而调节ZIF-8的生长。十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)是化学合成中常用的一种表面活性剂,研究表明:在水溶液中,加入CTAB可以调节ZIF-8的粒径,CTAB作为封端剂,疏水的长链吸附于ZIF-8的表面从而阻止晶核的生长以减小ZIF-8的粒径。当CTAB的量从0.0025wt%增加至0.01wt%时,合成的ZIF-8的粒径从2.8μm减小至110nm,同时随着CTAB量的增加,所合成的ZIF-8{110}晶面的完整度逐渐减小,这说明CTAB主要吸附于ZIF-8的{110}晶面。

3.2.3 结晶调节剂

图4 三乙胺浓度对ZIF-8形成影响的示意图

结晶调节剂是调控ZIF-8粒径最常用的方法,它通过在反应体系中加入结晶抑制剂或结晶促进剂来调节ZIF-8的粒径。结晶促进剂主要是用来加快2-甲基咪唑的去质子化进程而提高ZIF-8的成核速度,所合成的ZIF-8粒径也较小。三乙胺(TEA)可以增加体系的pH值,能够促进2-甲基咪唑的去质子化进程,是调节ZIF-8粒径常用的结晶促进剂。研究表明:TEA的含量越大,所合成的ZIF-8粒径越小(图4)。1-甲基咪唑、甲酸盐、正丁胺等单齿配体是合成ZIF-8最常用的结晶抑制剂,单齿配体的作用可以理解为对ZIF-8晶体成核和生长过程形成脱质子平衡的调节。Wiebcke等利用结晶抑制剂的调节合成了粒径10 nm～1μm的ZIF-8。

4 ZIF-8的生物医学应用

由于良好的生物相容性、高的载药率以及在肿瘤微环境下可释放药物,ZIF-8被广泛应用于化疗药物、光热剂和光敏剂得载体、生物大分子的储存和运输和生物显影等领域。

4.1 ZIF-8在肿瘤治疗中的应用

4.1.1 ZIF-8负载化疗药物

许多医学和化学上的应用都要求被包封的化疗药物在特定的肿瘤部位实现可控释放,从而降低对于正常组织器官的毒副作用。ZIF-8由于孔隙率高、比表面积大、可实现较高的载药率且具有pH响应性,因而能够在生理条件下保持稳定而在肿瘤的弱酸性微环境下实现药物的释放,是负载药物和实现药物缓释的理想载体。

图5 一步法构建纳米金属有机框架载药体系

Zou等用ZIF-8负载DOX(阿霉素),载药率达到14wt%～20wt%,在pH>6.5的PBS溶液(磷酸盐缓冲溶液)中,DOX@ZIF-8在15d的释放率保持在1%以内,当pH<6.0时,90%的DOX在7～9 d缓慢释放出来,相比未经包封的DOX,表现出良好的生物相容性和治疗效果(图5)。5-氟脲嘧啶(5-Fu)是一种嘧啶类似物,可抑制胸苷酸合成酶的产生,被广泛应用于多种癌症的治疗。载药率和包封率是衡量纳米载体的两个重要参数,一般来说,很难同时达到高的载药率和包封率,但研究表明,利用ZIF-8可以同时实现5-Fu的高载药率(37.8%)和高包封率(30%)药物负载,大大提升了这类药物的包封和输运效率。

为了进一步增强ZIF-8纳米载体的水溶性和与癌细胞的特异性识别能力,聚乙二醇(PEG)、透明质酸(HA)和叶酸(FA)等被用于ZIF-8的表面修饰。研究表明:表面修饰HA的Ara-IR820@ZIF-8(阿糖胞苷-吲哚菁绿的前药)可以通过EPR(实体瘤的高通透性和滞留性导致的纳米粒子在肿瘤部位的增强渗透阻滞作用)以及主动靶向富集到肿瘤部位,实现化疗药物在肿瘤部位的富集和缓释,对癌细胞杀伤率高达89%。Gao等利用氨基封端的聚乙二醇(NH2-PEG)与锌离子的弱配位作用调节ZIF-8的粒径,合成了粒径为200～800 nm的ZIF-8,在此基础上一步合成了负载DOX的DOX@ZIF-8/PEG纳米载体,PEG的存在有效增强了ZIF-8的水溶性,提高了DOX@ZIF-8被HepG2(人肝癌细胞)内吞的效率。

4.1.2 光热治疗

光热治疗是一种很有潜力的无创疗法:在肿瘤内部,光热剂将近红外光转换为热能以局部高温实现癌细胞的杀灭。近年来,随着光热治疗的发展,出现很多光热转换材料用于肿瘤的治疗,例如,金纳米簇、钯纳米片和硫化铜纳米颗粒等无机光热转换材料和聚多巴胺、聚苯胺和聚吡咯等有机光热转换材料等都具有很高的光热转换效率和肿瘤治疗效果,但这些材料的水溶性差,难以应用于亲水环境的生物体系,因此将ZIF-8这种多孔材料与光热转换材料结合起来为提高光热材料的水溶性和靶向性提供了一种新的途径。

基于以上思路,Júnior等将聚苯胺(PANI)修饰到ZIF-8表面,形成PANI@ZIF-8纳米颗粒,其水溶性好、光热转换效率高,结合化疗能有效杀伤人乳腺癌细胞。He等将CuS包封到ZIF-8中形成的CuS@ZIF-8纳米材料(0.1 mg·ml-1)在980 nm的激光下照射7 min,可将溶液温度快速升高到80 ℃,材料具有很高的光热转换效率。在此基础上,阿霉素被负载于CuS@ZIF-8形成化疗-光热治疗协同作用的多药联合治疗载体。结果表明,这种体系的载药率高达98.6%,且此化疗-光热治疗一体化的治疗方式对抑制肿瘤增长有明显效果。在光照下,硫化铜产生的热量使ZIF-8局部受热而解体从而引发阿霉素的快速释放,这对控制药物在肿瘤环境中的释放提供了新的思路(图6)。

图6 CuS@ZIF-8在光照下解体的机理探究

Tang等对于此种情况下化疗药物的快速释放进行了更为深入的研究。他们将金纳米颗粒(AuNPs)和DOX同时包封在ZIF-8中形成AuNR@ZIF-8-DOX纳米颗粒,光照12 h后,发现在pH值为7.4的生理条件下,DOX的累积释放量约为50%,是不加光照时药物释放量的3倍。考虑到ZIF-8在pH值为7.4和200 ℃的高温下仍具有良好的稳定性,他们把pH值为7.4和近红外光辐射的条件下,体系中DOX释放的增强归因于光热转换材料将近红外光转换成热能,使DOX和ZIF-8之间的Zn—O配位键解离,而非单纯通过高温破坏ZIF-8的结构,使DOX释放,这对于构建控制药物释放的“双激发”体系提出了有价值的新思路。

4.1.3 光动力治疗

光动力治疗也是治疗癌症的一种有效手段,该疗法先让光敏剂富集在肿瘤部位,然后进行光激活产生高浓度的活性氧(特别是单线氧),进而引发肿瘤细胞的凋亡,达到治疗癌症的目的。光热治疗和光动力治疗都具有“双引发”的特点,即只有光热剂或光敏剂和激发光同时定位到肿瘤部位才能引发肿瘤细胞的凋亡,因此这种治疗方案在杀伤肿瘤细胞的同时能有效避免对正常组织的杀伤,创伤性和全身毒副作用等均明显优于传统的手术、化疗等治疗手段。

光动力治疗对肿瘤抑制有非常明显的效果,然而由于其疏水性,光敏剂在水溶液中的自聚集不仅会影响其在肿瘤部位的富集,也会严重减弱在光辐射下产生单线氧的能力。尽管许多载体都可以用来负载光敏剂,但肿瘤治疗效果都不太理想。开发具有应用前景的纳米光敏剂,其中的困难可归于以下原因:(1)载体中的单个光敏剂分子应保持足够距离,以避免激发态的自猝灭;(2)从纳米粒子中生成的单线氧的平均扩散长度通常应在20～220 nm。而生物相容性好、结构可调、孔隙大的ZIF-8纳米颗粒可以完美解决这些问题。

Liang 等将疏水的酞菁锌(ZnPc)包埋在ZIF-8中,形成的ZnPc@ZIF-8纳米颗粒用于光动力治疗。实验表明:疏水性的ZnPc分子在水溶液中容易聚集,导致其在650 nm处的吸收峰消失,而ZnPc@ZIF-8在水相中的吸收光谱于605 nm和670 nm处有两个强峰,这与其在二甲基甲酰胺中的吸收光谱一致。事实证明,ZIF-8的微孔能很好地分离和保持光敏剂的分子结构,使其在水溶液中保持单体状态,避免光敏剂分子的自聚和猝灭,所制备的ZnPc@ZIF-8纳米颗粒具有优异的生物相容性、高的发光强度和产生单线氧的能力,对HepG细胞有很强的杀伤能力。

为了进一步解决肿瘤部位的缺氧环境,Wang等构建了一种自供应氧气的纳米传输系统。该系统将Ce6(二氯卟吩)包埋进ZIF-8充当光敏剂,在ZIF-8的表面修饰上金纳米颗粒作为产生活性氧的催化剂,产生活性氧的效率大大提高,对肿瘤有显着的治疗效果。

4.2 ZIF-8在生物成像中的应用

纳米材料作为一种新型的成像探针在生物医学成像领域得到了广泛的应用。例如,量子点已被应用于光学造影剂,而超顺磁性氧化铁纳米颗粒已被应用于核磁共振成像(MRI)的造影剂。小分子的造影剂容易被排除体外,因此可以通过ZIF-8等纳米材料负载造影剂来提高其灵敏度并降低其毒性。

MRI是基于磁场中核自旋取向的一种显影方式,具有高的空间分辨率、对比度和无限的穿透力,但是灵敏度低,通常使用一些造影剂来进一步提高显影质量。Chen等用ZIF-8纳米颗粒负载超顺磁性四氧化三铁用于小鼠肿瘤部位的核磁显影,研究发现纳米颗粒的弛豫率与浓度成正比,而且ZIF-8并不会明显降低四氧化三铁的横向弛豫率(T2)。在纳米粒子通过尾静脉注射到小鼠体内19 d后,肿瘤部位和内脏器官依然有很强的核磁显影信号,说明ZIF-8纳米颗粒大大提高四氧化三铁在体内的循环时间,这对于研究纳米粒子的代谢途径和富集的机理也有重要意义。

荧光碳量子点是一类新型的碳纳米材料,由于稳定的物理化学性质和良好的生物相容性,其在生物成像、癌症治疗和荧光标记等领域有着良好的应用前景。Wang等将具有绿色荧光的量子点与5-氟尿嘧啶同时包封在ZIF-8纳米颗粒中实现了肿瘤的诊断与治疗一体化。带有绿色荧光的碳量子点不仅实现了肿瘤部位的实时显影,其出色的水溶性还提高了ZIF-8@5-Fu的肿瘤治疗效果。

MRI、光学成像或X射线断层扫描(CT)等成像系统都是肿瘤显影的重要方法,但是单一的成像模式存在许多不足,例如分辨率低,穿透性差等。如图7所示,Wang等利用ZIF-8纳米颗粒包封四氧化三铁,并在其表面修饰上金纳米颗粒实现了肿瘤部位的核磁显影、荧光显影和CT共同作用的混合显影模式,对肿瘤的早期诊断提供了更确切的判断(图7)。

图7 Fe3O4@PAA/AuNCs/ZIF-8用于三重显影及化疗的示意图

4.3 、生物大分子的储存与保护

生物大分子已成为治疗疾病的重要试剂,例如抗体是人体必须的免疫球蛋白,也是广泛应用于科学研究和临床的一类治疗蛋白。然而,许多生物制药都存在着稳定性差、易聚集或易降解等问题,温度变化、外力冲击、化学试剂腐蚀等微环境都会导致治疗性药物的降解。因此,生物制药通常需要在严格监管的条件下(例如,4 ℃制冷)进行维护和运输。为了达到制备、运输或储存的目的,通常采用等温玻璃化和冻干等技术来处理,并且使用添加剂来对其化学结构进行稳定。然而,这些处理中涉及的复杂工艺极大地提高了生物制药的应用成本,并带来了额外的生物安全风险。例如,由于缺乏对结晶的有效控制,冻干会造成糖和蛋白质的聚集或产生不可预测的免疫原。所以,增强功能性生物大分子的稳定性是生物技术中的一个关键挑战,开发简便有效的策略来稳定生物大分子将提高其在药物、化学加工和生物储存中的应用。

Falcaro等采用仿生矿化的概念,利用生物大分子与ZIF-8前驱体的协同作用调节晶体的大小、形态和结晶度,同时将生物大分子自身包埋在多孔的ZIF-8中产生新的空腔。这些生物大分子紧紧缠绕在空腔周围并与ZIF-8协同作用而产生蛋白质骨架,这一机制可以保护多种生物大分子(例如蛋白质和酶)免受恶劣环境的影响,并保持蛋白质自身的生物活性(图8)。

图8 ZIF-8仿生矿化复合材料形成示意图

Chen等利用ZIF-8的保护成功实现了IgG(人免疫球蛋白)、H-IgG(人多克隆抗体)和G-IgG(山羊的多克隆抗体)的储存和分离。所形成的抗体@ZIF-8对高温、有机溶剂、机械压力等外界条件具有较强的抵抗能力,其包封率达到99%以上,在室温下可保存3周以上而保持原来的结构和活性,这大大拓宽了生物大分子试剂的操作条件。并且ZIF-8包封的抗体可以在酸性条件下10 s内完成释放,这种优异的能力为蛋白质的长期储存和便携式运输提供了可能。

5、 结论与展望

ZIF-8纳米颗粒在药物运输、生物大分子的储存和保护等方面有重要的科研价值,然而如何高效地宏量合成这些材料并实现其性能的可控调节是实现大规模应用的基础。本文综述了ZIF-8的制备机理、合成方法、粒径调控和其生物医学应用。相比于传统的纳米药物载体,ZIF-8纳米颗粒的比表面积大、孔隙率高、可实现药物的高效负载,且可在生理状态下保持稳定而在酸性条件下解体,从而实现药物在酸性环境下的可控释放。利用ZIF-8内部多孔的空腔可以实现多种药物的负载与释放,还可将Ce6、卟啉类等光敏剂和硫化铜、金纳米颗粒等光热转换剂富集到肿瘤部位,然后在光的刺激下实现光热治疗与光动力治疗。另外,利用ZIF-8作为保护性的载体可以实现生物大分子的常温储存和快速释放,对于生物制药的储存和保护具有重要意义。ZIF-8纳米颗粒的粒径、孔隙率等性能对于其应用具有重要意义,因而在充分明晰其制备机理的基础上实现其可控合成和性能调节、并进一步拓展相关的生物医学应用将成为这类功能性纳米材料研究的新方向。此外,利用ZIF-8纳米颗粒构建多种治疗方式与成像的诊疗一体化平台也展现了巨大的前景。 返回搜狐，查看更多