基于小分子生物相容性单元构建高度有序大孔氢键有机框架及其酶固定化与细胞分化应用研究

《Nature Communications》：Highly ordered macroporous hydrogen-bonded organic frameworks based on small biocompatible molecules

本研究针对弱非共价相互作用难以构建稳定大孔结构的难题，通过模板法成功制备了基于生物相容性小分子的单晶大孔氢键有机框架（OM-HOFs）。该材料具有高度有序的宏孔结构（约200纳米）和优异的生理环境稳定性，实现了胰蛋白酶的高效固定（负载量达1.47 mg·mg-1），其固定化酶Vmax提升至游离酶的2.5倍且可重复使用4次以上。动物实验表明Try@OM-PFC能促进外周血单核细胞向纤维细胞分化，为生物医学应用提供了新型平台。

　　

在生物医学材料领域，构建兼具大孔结构和生物相容性的晶体材料一直是重大挑战。传统氢键有机框架（HOFs）的孔道尺寸通常局限于纳米级别，而宏观尺度的孔道构建往往需要复杂的大分子合成，这不仅增加成本，还可能引入生物毒性。更关键的是，基于弱非共价相互作用（NCIs）的组装体在模板辅助合成中极易偏离预设结构，且在模板移除后难以保持稳定性。这些瓶颈严重限制了HOFs在酶固定化、组织工程等生物医学领域的应用潜力。

为解决这一难题，中国科学院福建物质结构研究所刘天赋团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地采用模板法成功制备了基于小分子生物相容性单元的高度有序大孔氢键有机框架（OM-HOFs）。该研究选择三聚氰胺（MA）、均苯三甲酸（TMA）、间三羟基苯（THB）等具有多重氢键位点和扩展π共轭体系的小分子为构建单元，利用单分散聚苯乙烯微球（200纳米）为硬模板，通过精确控制自组装过程，在移除模板后仍能保持单晶结构和宏孔完整性。

关键技术方法包括：通过调节聚合温度和时间制备不同尺寸（100-200纳米）的单分散聚苯乙烯模板；采用溶液浸渍-自组装-溶剂去除的模板法构建OM-HOFs；利用汞侵入孔隙度测定法（MIP）和选区电子衍射（SAED）表征孔结构和晶体性质；通过共聚焦显微镜（CLSM）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）验证酶固定化效果；使用大鼠来源的外周血单核细胞（PBMCs）进行细胞分化实验。

Syntheses and structural characterizations of OM-HOF single-crystals based on small bio-compatible molecules

研究团队成功制备了OM-PFC21（MA-TMA）、OM-PFC22（THB-TMA）和OM-PFC23（MB-UA）三种大孔HOFs。扫描电镜（SEM）显示材料继承了模板的高度有序排列，宏孔直径约200纳米，并通过30-60纳米通道相互连通。SAED图谱首次证实了大孔HOFs的单晶特性，其中OM-PFC23的晶格面与X射线晶体学预测完全吻合。氮吸附测试显示IV型等温线特征，MIP测定明确孔径约为60纳米，且材料在PBS和人工汗液中保持结构稳定。

Trypsin immobilization and kinetic studies

胰蛋白酶（Trypsin）被成功负载于OM-PFC21和OM-PFC22中，负载量分别达1.21 mg·mg^-1和1.47 mg·mg^-1。FT-IR光谱显示OM-PFC21的特征峰从1663 cm^-1红移至1648 cm^-1，证明酶与框架间存在氢键相互作用。酶动力学研究表明，Try@OM-PFC21的V_max（20 μM·s^-1）为游离酶的2.5倍，K_m值（2150 μM）显著升高，说明固定化既提高了反应效率又降低了酶-底物亲和力。

Storage stability and reusability of Try@OM-PFC

在37°C环境下储存5天后，固定化胰蛋白酶仍保持85%初始活性，显著高于游离酶（26%）。经过4次循环使用后，Try@OM-PFC仍保留80%活性，证明其具有优异的操作稳定性和经济性。这种稳定性提升归因于HOFs与酶分子间的氢键相互作用。

Try@OM-PFC promoted fibrocyte differentiation

细胞实验显示，Try@OM-PFC能促进PBMCs在9天内分化为纤维细胞，其中Try@OM-PFC21的效果优于Try@OM-PFC22。研究进一步构建了Try@OM-PFC/GEL复合凝胶支架，该材料兼具透明度、形状自适应性和保湿能力，且固定化酶在凝胶中仍保持水解活性，为创面治疗提供了新型器械方案。

该研究通过模板法突破了氢键组装体难以构建稳定大孔结构的限制，首次实现了单晶大孔HOFs的可控制备。材料优异的生物相容性和孔道特性使其成为酶固定化的理想载体，显著提升了酶的稳定性和重复使用性。在生物医学应用层面，研究不仅证实了Try@OM-PFC促进纤维细胞分化的功能，更通过复合凝胶支架展示了其临床转化潜力。这项研究为基于小分子构建功能化生物材料提供了新范式，极大拓展了HOFs在组织工程和药物递送等领域的应用前景。