柔性诱导的高熵阳离子型酞菁-铜硼酸盐低结晶度COF：抑制π-π堆积实现快速活性氧生成，用于协同抗菌治疗

《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Flexibility-induced high-entropy cationic Phthalocyanine–Cu borate low-crystallinity COF with suppressed π-stacking enables rapid ROS generation for synergistic antimicrobial therapy

　　聚结引起的猝灭和细菌接触效率低下仍然是基于酞菁的抗菌平台面临的两大主要障碍。本文报道了一种由单体编码的柔性高熵低结晶共价有机框架（BCuPc-COF），由Cu-酞菁-2,3,9,10,16,17,23,24-八醇（CuPc(OH)?）和构象自适应的双阳离子交联剂N¹,N³-双(4-硼苄基)-N¹,N¹,N³,N³-四甲基丙烷-1,3-二铵（BBTD）构建而成。关键在于，BBTD固有的N⁺-C-C-N⁺旋转自由度及其卓越的B–O–C键角适应性在聚合过程中产生了极大的构型熵。这一高熵状态在动力学上将BCuPc-COF锁定在π堆积减少、性能优异的状态，有效克服了臭名昭著的ACQ问题，同时完全保留了酞菁核心的芳香共轭和光敏性能。密集的阳离子硼酸酯位点进一步促进了与阴离子细菌膜的紧密静电黏附，降低了质量传输障碍，并将活性物种限制在病原体界面。这种界面限制极大地提高了活性氧（ROS）的利用率。此外，BCuPc-COF表现出强大的过氧化氢酶样（POD-like）活性，通过催化内源性H₂O₂生成•OH来驱动化学动力学治疗（CDT）。得益于这些协同特性，在H₂O₂存在下经638 nm激光照射，BCuPc-COF可迅速产生大量ROS，并以极低浓度（50 μg/mL）在10分钟内实现>99%的细菌灭活，有效覆盖革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（S. aureus）和革兰氏阴性大肠杆菌（E. coli）。它还能有效分解成熟生物膜，并在小鼠体内将感染伤口愈合加速至11天内达到约100%，显示出在管理感染（如运动相关软组织损伤，包括擦伤、割伤和术后伤口）方面的独特前景，且具有优异的生物相容性。本工作确立了单体衍生的柔性作为熵引擎，同时抑制π堆积（从而击败ACQ）并增强界面抗菌功效，为高性能ROS治疗提供了一种可推广的策略。药物抗生素长期以来一直是现代医学的基石，但多药耐药（MDR）细菌的不断出现现已构成一场全球卫生紧急事件，常见病原体如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和碳青霉烯类耐药肠杆菌科细菌使标准治疗方案日益无效，导致死亡率上升、住院费用增加和治疗失败率攀升[1], [2], [3]。生物膜相关感染加剧了这一危机，其中胞外聚合物不仅物理性地阻碍免疫细胞和抗菌剂，还形成缺氧、营养匮乏的微环境，促进代谢休眠并进一步增强抗生素耐受性，最终导致慢性不愈合伤口、植入物反复失败和难以治愈的术后并发症[4], [5]。基于活性氧（ROS）的治疗模式作为一种有前景的非抗生素替代方案，通过局部氧化损伤绕过常规耐药机制[6]。其中，光动力治疗（PDT）和酶模拟催化治疗，尤其是化学动力学治疗（CDT），引起了广泛关注[7], [8], [9]。对于PDT而言，光敏剂（PSs）（以酞菁（Pc）和卟啉（Por）衍生物为代表）的效用受到聚集引起的猝灭（ACQ）的严重削弱，这源于凝聚态中强烈的π–π堆积，使ROS生成能力几乎丧失[10]。同时，其中性表面与带负电的细菌包膜亲和力差，造成了质量传输障碍，使短寿命ROS在到达靶标之前就在主体溶液中耗散，这一问题在生物膜中因聚合物屏蔽而进一步加剧[11]。另一方面，基于酶的策略，无论是天然酶还是仿生人工酶，都受到不同的瓶颈限制。天然酶存在内在脆弱性和底物范围受限的问题，而人工酶则表现出催化活性有限、活性位点可及性不足以及易受蛋白冠吸附的问题[12], [13]。此外，两类酶都以扩散受限的方式生成ROS；庞大的结构难以穿透生物膜，产生的任何ROS都会被胞外基质迅速清除[14]。脱靶催化效应也引发了安全性担忧[15]。这些缺点共同表明，有效的解决方案必须将PDT和CDT协同整合于单一的结构优化平台中。卟啉和酞菁衍生物是PDT的优选光敏剂，凭借其强大的金属配位能力和优异的光动力性能。其刚性且广泛共轭的大环结构能够实现高效的光捕获和ROS生成，而中心金属离子可以变化（例如Cu、Zn、Co、Ir），以精细调节光物理和催化特性。这些特性使它们成为构建PDT/CDT集成抗菌平台的高度吸引人的材料。然而，其在凝聚态中的ACQ问题以及对带负电细菌表面亲和力差往往削弱了其功效。为克服这些限制，将卟啉/酞菁单元固定在网状框架中（特别是金属-有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs））已成为一种有前景的策略[16], [17]。MOFs和COFs共享相似的网状设计原理，提供可调的孔结构，能够空间隔离光敏剂，抑制ACQ，并整合CDT催化位点[18], [19]。最近的研究表明，卟啉和酞菁功能化的COF和MOF平台在协同PDT/CDT抗菌治疗中很有前景[20]。尽管取得了这些进展，关键挑战依然存在。COFs最初被设想为在空间上隔离Pc发色团的宿主，以抑制ACQ，然而向长程结晶的热力学驱动力可能强化相邻Pc单元之间的平面π–π堆积，部分重现猝灭问题[21]。此外，结晶骨架的固有刚性限制了与细菌紧密黏附所需的构象柔性，导致界面ROS和热量传递效率低下。这些未解决的问题，包括ACQ抑制、构象柔性和单一框架内的真正PDT/CDT协同作用，促使我们设计了一种高熵COF（BCuPc-COF），该材料通过将足够的构象自由度融入框架中，使结构有序性与功能无序性相协调，从而挫败π堆积同时保留发色团的电子特性，并同时呈现黏附基团以实现牢固锚定在细菌膜上。为此，我们推进了一种从分子层级向上转变设计逻辑的熵工程策略。我们将熵视为主动的热力学驱动力，而非被动的副产品，直接将高构型无序性编码到单体前体中，确立熵为框架形成的主要驱动力。具体而言，我们将位阻大、氧化还原活性的节点CuPc-OH与构象自适应的双阳离子交联剂BBTD缩合。这一单体发挥了两个机制上关键的作用。其N⁺-C-C-N⁺骨架和聚合时形成的柔性B–O–C酯键赋予了显著的旋转自由度和广泛的键角容忍度，指数级地扩展了可及的构象空间。由此产生的高熵状态在动力学上挫败了π–π堆积，从而直接解决了ACQ问题，同时保留了CuPc核心的芳香共轭，有效地将分子层面的柔性转化为宏观功能稳定性。同时，BBTD上丰富的阳离子硼酸酯基团对带负电的细菌膜施加强静电黏附，大幅缩短了ROS的扩散路径，并将致死剂量精确集中在病原体表面。同时，嵌入这一高熵框架中的Cu中心赋予其固有的过氧化氢酶样（POD）活性，催化内源性H₂O₂转化为细胞毒性•OH。在638 nm激光照射下，这三个要素汇聚为协同攻击。具体而言，熵抑制的π堆积恢复了光动力效率。阳离子黏附增强了界面ROS的利用率，而由POD样催化驱动的CDT即使在缺氧条件下也能维持氧化应激。因此，所得材料（BCuPc-COF）实现了对S. aureus和E. coli的近乎完全灭活，并有效分解了成熟生物膜。此外，在小鼠感染伤口模型中，它加速愈合至11天内接近100%。除了卓越的性能外，本工作统一了单体编码柔性、高熵稳定和界面增强，不仅重新定义了基于COF的抗菌剂的设计原则，也为下一代人工酶提供了一个广泛适用的蓝图。如图1所示，通过简单的溶剂热法将CuPc–OH与双阳离子BBTD单体缩合，合成了这种柔性阳离子框架，称为BCuPc-COF。BBTD固有的N⁺–C–C–N⁺扭转柔性及B–O–C键角容差在聚合过程中产生了巨大的构象空间，导致高构型熵状态，动力学上挫败了π堆积，并将框架锁定在无序但光物理上完整状态。总之，我们通过CuPc-OH与构象自适应双阳离子交联剂BBTD缩合，开发了一种单体编码、柔性诱导的高熵共价有机框架BCuPc-COF。通过利用固有的N⁺–C–C–N⁺旋转自由度和B–O–C键角适应性，该设计将分子层面的柔性转化为动力学熵引擎，在抑制π–π堆积的同时保留了酞菁核心的芳香完整性。光谱学和...**Yan Xu：** 调查。**Wen Xin：** 资源。**Fei Wang：** 软件。**Zhen Pang：** 形式分析。**Huanhuan Li：** 调查。**Ran Xu：** 可视化。**Wei Wu：** 撰写——审阅与编辑。**Zhen Zhao：** 方法论。所有实验方案均已获得山东第二医科大学实验动物伦理委员会批准。作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文中报告的工作。本工作得到了山东大学学生创新训练计划（编号：S202510438042和S202510438049）的资助。Yan Xu|Wen Xin|Fei Wang|Zhen Pang|Huanhuan Li|Ran Xu|Wei Wu|Zhen Zhao山东第二医科大学基础医学院，中国山东潍坊 261053