利用荧光探针评估生物医学用ZIF-8稳定性：共价偶联对表面锚定策略、框架降解与货物释放的影响

《Chemistry – A European Journal》：Assessing ZIF-8 Stability for Biomedical Applications Using Fluorescent Probes: Impact of Covalent Conjugation

　　

金属–有机框架（metal–organic frameworks, MOFs）已成为生物医学应用中的纳米载体。然而，其在生理条件下的性能强烈受制于发生于晶体–溶液界面的框架降解过程。在此，研究人员系统考察了表面功能化在调控沸石咪唑酯骨架-8（zeolitic imidazolate framework-8, ZIF-8）纳米颗粒稳定性与货物释放行为中的作用。研究人员用带有羟基、氨基和咪唑端基的聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）衍生物修饰ZIF-8表面，从而比较涉及配位和共价相互作用的不同锚定策略。研究人员使用傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）、X射线粉末衍射（X-ray powder diffraction, XRPD）、扫描透射电子显微镜（scanning transmission electron microscopy, STEM）、热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）和紫外–可见光谱（ultraviolet–visible spectroscopy, UV–vis）评估了框架稳定性、表面修饰以及作为模型货物体系的荧光素释放。尽管与未修饰ZIF-8纳米颗粒相比，PEG化降低了磷酸盐缓冲液（phosphate-buffered saline, PBS）中的荧光素释放，但锚定基团的影响很小，表明PEG涂层对磷酸盐诱导的表面降解仅提供有限保护。为进一步阐明界面键合的作用，研究人员研究了直接连接至ZIF-8框架的荧光素衍生物，作为表面稳定性的分子探针。尽管键合模式影响纯水中的染料保留，但在含磷酸盐条件下，这种稳定化效应在很大程度上被抑制。这些结果揭示了表面化学、框架降解与货物释放之间复杂的相互作用，为基于MOF的生物医学载体开发提供了设计考量。

研究背景：金属–有机框架（metal–organic frameworks, MOFs；由金属节点与有机配体组装的多孔材料）已成为生物医学纳米载体。ZIF-8（zeolitic imidazolate framework-8, ZIF-8；由四配位Zn(II)与2-甲基咪唑酯桥联形成的MOF，亦称MAF-4）具有方钠石型拓扑、11.6 ?空腔和3.4 ?孔口，可载低分子药物、生物大分子甚至核酸，并用于生物成像与治疗诊断（theragnostic）。ZIF-8在干燥和碱性环境中稳定，但在水相、尤其质子和磷酸盐等竞争配体存在下发生降解；降解始于晶体表面，因此表面降解动力学决定货物保留与释放。聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG；常用亲水修饰聚合物）化可改善生物相容性、减少蛋白吸附、延长循环并提高胶体稳定性，但若PEG仅弱吸附或动态交换，在生理条件下可能快速脱附并暴露表面；共价或强配位PEG则可能改变表面化学并增强框架稳定性。先前研究表明ZIF-8表面可发生配体交换，实现功能分子共价偶联。本研究据此比较不同表面相互作用模式对ZIF-8在生物相关条件下化学稳定性和降解行为的影响。

关键技术方法：研究人员采用原位法将荧光素（fluorescein；模型货物与荧光探针）包载于ZIF-8中，形成Flu@ZIF-8(in situ)，并用MeO-PEG-OH、MeO-PEG-NH₂和MeO-PEG-Imidazole（均5 kDa）进行表面修饰；通过甲醇超声洗涤评价涂层稳定性，并在0.01 M PBS（phosphate-buffered saline，磷酸盐缓冲液；pH 7.4）中监测释放。为探测外表面键合，制备非特异配位的Flu@ZIF-8(surface)和经咪唑共价连接的FluHis@ZIF-8(surface)。表征包括傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）、X射线粉末衍射（X-ray powder diffraction, XRPD）、扫描透射电子显微镜（scanning transmission electron microscopy, STEM）、热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）、紫外–可见光谱（ultraviolet–visible spectroscopy, UV–vis）、动态光散射（dynamic light scattering, DLS）、zeta电位与氮气吸附。无样本队列来源。

2.1 荧光素负载ZIF-8纳米颗粒的合成与PEG化
研究人员发现，尽管ZIF-8具有门控开孔（gate-opening）可允许大于3.4 ?的分子进入，但荧光素范德华半径约7 ?，合成后无法进入孔口，因此必须在合成时原位包载，并被截留于孔内，仅在框架分解时释放。所得Flu@ZIF-8(in situ)含1.09 μg mg^?1荧光素，约每220个ZIF-8孔一个荧光素分子，占据约0.45%笼。FTIR、XRPD和STEM未显示与原始ZIF-8显著差异；77 K氮气吸附BET（Brunauer–Emmett–Teller；比表面积）为857 m² g^?1，低于原始ZIF-8的1784 m² g^?1，可能因孔窗部分阻塞及缺陷生成。三种PEG修饰后结构保持；TGA显示PEG含量为23%、25%和19%；UV–vis测得荧光素负载相应降低且处理中未释放。DLS显示流体力学直径大于STEM干态粒径，提示部分小聚集体；zeta电位（zeta potential；表面电荷指标）由原始+13.0 ± 2.97 mV 移至近零，说明PEG层部分遮蔽ZIF-8表面。

2.2 PEG涂层的结合模式与稳定性
羟基和氨基PEG预期通过O或N与表面Zn配位；根据Pearson硬–软酸碱（hard–soft acid–base, HSAB）概念，Zn–N比Zn–O更稳定。咪唑功能化PEG可通过合成后配体交换共价接入MOF表面。甲醇超声洗涤后，MeO-PEG-OH约91%被去除，MeO-PEG-NH₂约76%被去除，而MeO-PEG-Imidazole仅11%被去除。说明咪唑锚定涂层更稳定，与其连接方式一致。

2.3 磷酸盐缓冲液中的荧光素释放
在0.01 M PBS pH 7.4中，PEG涂层较未涂层样品仅轻微减缓荧光素释放，且不同PEG衍生物间差异很小。PEG层不能有效阻止水和磷酸盐配体接近晶体表面及孔道，MOF仍降解，FTIR和XRPD证实。FTIR中1110 cm^?1 PEG谱带被磷酸盐强带叠加，2900 cm^?1附近C-H伸缩带在孵育后仍可检测但强度极低，无法明确判断少量PEG是否仍与颗粒结合或快速脱附形成不溶副产物。部分样品释放超过100%，归因于荧光素摩尔消光系数随pH变化：ZIF-8降解释放碱性咪唑酯物种使pH略升，在pH 7.4校准下高估浓度。为进一步研究涂层去除动力学，研究人员使用直接附着于ZIF-8晶体表面的荧光素染料。

3 用荧光染料探测外表面降解动力学
3.1 样品制备
研究人员合成未包载荧光素的ZIF-8，并进行合成后荧光素衍生物功能化。Flu@ZIF-8(surface)通过非特异配位将荧光素附着于表面；FluHis@ZIF-8(surface)使用含咪唑部分的组胺偶联荧光素（FluHis）进行共价连接。两种染料在二甲基甲酰胺中、避光、相同摩尔浓度下反应并充分洗涤。FluHis@ZIF-8(surface)呈更深橙色；定量显示Flu@ZIF-8(surface)含4.7 μg mg^?1染料，FluHis@ZIF-8(surface)含21.5 μg mg^?1，超过四倍。XRPD、FTIR和STEM确认二者保留原始晶体结构与形貌。

讨论与结论：在所提供的原文片段中，讨论部分未包含，故不进行推测。摘要中给出的研究结论可译为：这些结果揭示了表面化学、框架降解与货物释放之间复杂的相互作用，为基于MOF的生物医学载体开发提供了设计考量。