一锅法合成包裹目标分子的金属-酚类网络用于功能材料

《Materials Today Nano》：One-pot Synthesis of Metal-Phenolic Network with Encapsulated Target Molecules for Functional Materials

　　

摘要

将生物大分子整合到纳米颗粒中是生物领域面临的一项重大挑战。金属-酚网络（MPNs）凭借其可调的化学功能特性和良好的生物相容性，已成为此类应用的有前景的载体。本研究采用温和的生物矿化技术，通过一锅法将金属-酚网络纳米颗粒（NPs）的合成与活性生物大分子在无机-有机杂化纳米颗粒中的封装相结合。作为概念验证，利用多巴胺（一种典型的含儿茶酚基团的多元酚类物质）、金属离子（Au³⁺和Cu²⁺）以及生物大分子（蛋白质、酶），可以制备出多种定制化的MPN纳米颗粒，且具有较高的封装效率。这些纳米颗粒可应用于一系列用途，包括灭菌、催化和生物毒素降解。此外，由多巴胺和白蛋白调控的高分支金纳米颗粒已成功应用于免疫层析检测平台，用于检测大肠杆菌O157:H7和微囊藻毒素-LR。我们认为，本研究提出的金属-酚网络与蛋白质促进的生物矿化策略具有模块化特征，可为其他功能材料的新潜在应用提供参考。

引言

生物矿化现象普遍存在于从原核生物到真核生物、从低等生物到高等生物的所有自然生态中，创造出具有复杂结构和卓越功能的一系列有机-无机杂化材料，如硅藻壳、牡蛎壳、人骨及组织等，这些材料对支撑、运动、代谢和能量储存等生命功能至关重要。[1]、[2]、[3] 由于这些生物材料具有结构多样性和优越性，受生物过程启发的仿生材料合成技术引起了极大的研究兴趣，从而建立了一个连接生物与化学的新兴交叉学科领域。[4]、[5]、[6] 有机-无机杂化纳米材料兼具有机和无机成分的优势，并且可以通过两者之间的相互作用或能量传递产生许多独特的新型性能，在光电磁、催化、吸附、药物递送和生物成像等领域展现出广阔的应用前景。[7]、[8]、[9] 然而，传统的生物矿化或仿生物矿化大多依赖于特定的矿化蛋白、酶催化或外加还原剂和前驱体，其中蛋白质通常仅作为模板、成核位点或稳定剂，难以同时实现温和、绿色和多功能集成。[10]、[11]

金属-酚网络（MPN）是近年来发展的一种新兴有机-无机杂化体系，由金属离子与多酚配体之间的配位作用构建而成。[12]、[13] 此外，由于合成过程简单、生物相容性优良，且在金属离子、酚类配体和组装方法的选择上具有高度模块化特征，MPNs作为纳米载体具有巨大潜力。[14]、[15] 然而，MPN的快速配位动力学和独特的粘附特性使得形成结构明确的纳米颗粒（NPs）具有挑战性。[16]、[17] 总体而言，MPN纳米颗粒通常采用模板法和种子法策略制备，涉及更为复杂的合成过程，且可能影响生物相容性。[18] 因此，迫切需要开发一种简单高效的方法，制备具有可调模块的MPN纳米复合材料以负载货物，这不仅能够简化合成过程，还能满足生物应用的各种需求。

受生物过程的启发，我们提出了一种由生物大分子介导的一锅法，用于制备具有广泛适用性的MPN纳米颗粒。[19]、[20] 作为概念验证，多巴胺（DA）——一种含儿茶酚基团的多元酚类物质，在弱碱性环境中可氧化并自聚合形成聚多巴胺（PDA）——被用作调控构建模块。[21]、[22] 已发表文献中通常采用两步法将金属纳米颗粒外层包覆聚多巴胺。[23] 富含金属离子的蛋白质促进前成核团簇的形成，而金属-酚网络作为分子骨架，多巴胺作为还原剂，从而快速调控蛋白质的封装并合成被称为PDA纳米颗粒的复合材料。[24]、[25] 该方法中，改变金属离子（Au³⁺和Cu²⁺）或生物大分子（牛血清白蛋白BSA、辣根过氧化物酶HRP、漆酶Lac）即可轻松构建具有可控结构和功能的多功能金属多酚材料，为多样化的应用场景提供了广泛的可能性。此外，对BSA@PDA-AuNP纳米杂化物的结构和光学性质调控以及免疫层析检测（ICA）平台的应用，进一步证明了其有效性。

片段摘录

材料与试剂

牛血清白蛋白（BSA）和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）购自阿拉丁（中国上海）。氯化金（HAuCl₄）、多巴胺盐酸盐和漆酶购自Sigma-Aldrich（中国上海）。辣根过氧化物酶和3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）显色液购自源叶生物科技（中国上海）。脱脂奶粉、胰蛋白酶和Bradford蛋白检测试剂盒购自生工生物（中国上海）。

结果与讨论

研究表明，蛋白质生物大分子可通过提供丰富的氨基酸残基来富集金属离子，加速金属纳米团簇的原位合成，并促进蛋白质的封装。[26] 多巴胺是一种典型的酚类化合物，可与金属离子配位形成金属-酚网络。[27] 在碱性溶液中，多巴胺在室温下发生氧化自聚合形成聚多巴胺（PDA），释放电子，从而

结论

综上所述，我们设计了一种高效策略，通过金属-酚网络和蛋白质加速的生物矿化来形成PDA纳米颗粒，主要驱动力为氢键、配位作用和疏水相互作用。PDA-AuNPs通过简单的一锅法合成，具有高蛋白质负载量，且可轻松从单一生物活性大分子或其他组合构建，以展现特定的生物学功能。蛋白质和金属离子的多样选择使得

作者贡献声明

邵燕娜（Yanna Shao）：概念设计、调查研究、形式分析、基金获取、初稿撰写。徐东（Dong Xu）：形式分析、审校与编辑。黄泽豪（Zehao Huang）：形式分析、审校与编辑。珊珊（Shan Shan）：形式分析、审校与编辑。陈雪兰（Xuelan Chen）：概念设计、形式分析、监督指导。熊永华（Yonghua Xiong）：概念设计、监督指导。所有署名作者均已批准最终手稿用于出版。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知财务利益冲突或个人关系。

竞争利益声明

作者声明与本工作不存在利益冲突，且本手稿已获所有作者批准用于出版。

致谢

作者感谢以下机构的资金支持：江西省自然科学基金（20242BAB20334、20262BAC240169）、江西省青年科技人才培育项目（20244BCE52024）、国家自然科学基金（32260014）以及中央级项目：名贵中药材资源可持续利用能力建设（2060302）。

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