综述：MOFs的多功能角色：连接生物应用与环境技术的桥梁

这篇综述系统阐述了金属有机框架（MOFs）的结构特性、合成方法（如溶剂热法、机械化学法、微波辅助法）及其在气体存储、药物递送（如DOX、5-FU）、癌症治疗（PDT/PTT）、能源存储（LIBs）和环境修复（膜分离技术）等领域的应用，强调了其高孔隙率、可调结构和生物相容性在跨学科研究中的潜力。

　　

金属有机框架（MOFs）的合成与应用全景

摘要

金属有机框架（MOFs）是由金属离子与有机配体通过配位键形成的多孔晶体材料，兼具无机材料的刚性和有机材料的可设计性。其独特的结构特性（如超高比表面积达500–7000?m²/g、可调孔径和表面化学）使其在生物医学、能源与环境领域展现出革命性潜力。

1. 引言

MOFs的纳米级孔隙和模块化合成（如网状化学）使其区别于传统多孔材料（如沸石）。自UC Berkeley的Omar Yaghi团队开创性研究以来，MOFs数据库已收录超90,000种设计。其性能核心在于金属-配体相互作用的强度，例如高价金属（Zr⁴⁺、Fe³⁺）与氮杂环配体的组合可显著提升水稳定性。

2. 合成方法

2.1 溶剂热/水热法
通过高温高压（如105°C）在密闭容器中结晶，MOF-5（Zn₄O(BDC)₃）的合成即采用此经典方法，其DEF溶剂体系可实现高产率。

2.2 机械化学法
无需溶剂，通过机械力诱导反应（10–60分钟），副产物仅为水，但颗粒尺寸控制仍是挑战。

2.3 微波辅助法
Cr-MIL-10的合成仅需数分钟，均匀的晶体尺寸分布是其优势，特别适用于Fe³⁺、Al³⁺等金属体系。

2.4 声化学法
超声波（20?kHz–10?MHz）加速成核，HKUST-1在乙醇中仅需短时反应，但长时间超声可能导致晶体破裂。

2.5 电化学法
以金属阳极为离子源，避免盐类副产物，HKUST-1的电化学合成纯度优于溶剂热法。

3. 生物医学应用

3.1 药物递送

• MIL系列：MIL-53(Fe/Cr)可负载17.4%布洛芬，21天缓释。
• ZIF-8：pH响应型载体，在肿瘤微环境（pH?5.0）中释放阿霉素（DOX），负载量达40.9%。
• 靶向系统：PEG-FA修饰的ZIF-8通过叶酸受体介导内吞增强肿瘤蓄积。

3.2 癌症治疗

• 光动力疗法（PDT）：Mn/Co-MOFs作为光敏剂，通过LMCT（配体-金属电荷转移）机制产生活性氧。
• 联合治疗：Fe₃O₄@ZIF-8@AuNPs实现MRI引导的化疗-PTT协同治疗。

挑战：金属离子（如Cu²⁺）的潜在毒性、生理环境稳定性（部分MOFs在pH<5时降解）及规模化生产的重现性亟待解决。

4. 能源与环境应用

4.1 电化学储能
Fe₃O₄@MOF锂电负极在100次循环后保持1001.5?mA?h/g容量，优于纯Fe₃O₄（696?mA?h/g）。

4.2 气体存储
MIL-53在20–30?bar下氢吸附达3.8?wt%，但低温（77?K）条件限制其实际应用。

4.3 水处理

• ZIF-300膜：对重金属离子截留率99.21%，通量39.2?L/m²·h·bar。
• 抗污染UF膜：UiO-66添加量3.0?wt%时，亲水性与通量同步提升。

5. 未来展望

MOFs的智能化设计（如刺激响应型降解）和跨学科融合（生物电子学、纳米催化）将是突破方向。在癌症治疗领域，开发兼具诊疗功能的“all-in-one”纳米平台，以及解决工业化生产的绿色合成路线（如无溶剂法），是推动临床转化的关键。