设计含铜、钴和钛的三金属金属-有机框架(Cu/Co/Ti-MOF)：解锁增强性能用于高级应用

《Results in Chemistry》：Designing a trimetallic MOF with copper, cobalt, and titanium: unlocking enhanced properties for advanced applications

　　

摘要：研究人员成功采用微波辅助(microwave-assisted)法合成了一种含铜、钴和钛的新型三金属金属-有机框架(metal-organic framework, MOF)(Cu/Co/Ti-MOF)。该材料通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)、透射电子显微镜(TEM)、热重分析(TGA)和Brunauer-Emmett-Teller(BET)分析进行表征。Cu/Co/Ti-MOF表现出适中的比表面积54 m2/g及高达300 ℃的热稳定性。该MOF对A-431皮肤癌细胞显示出显著抗癌活性，48 h后半数抑制浓度(IC50)值为31 μg/mL。50 μg/mL的Cu/Co/Ti-MOF作用于正常人表皮角质形成细胞48 h后未显示细胞毒性作用，证实其对非癌皮肤细胞的生物相容性。该MOF还对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌及致病真菌表现出广谱抗菌和抗真菌活性，最小抑菌浓度(MIC)值范围为4~32 μg/mL，最小杀菌浓度(MFC/MBC)值范围为8~64 μg/mL。此外，在50 ℃、pH 8、吸附剂投加量60 mg/L条件下，90 min内可去除93%的刚果红染料(初始浓度400 mg/L)。这些发现表明Cu/Co/Ti-MOF是一种在生物医学和环境应用中具有前景的多功能材料。

论文解读：Cu/Co/Ti三金属MOF的合成、表征及生物与环境应用性能研究——以TATB配体为模型

【研究背景与意义】

金属-有机框架(metal-organic framework, MOF)因超高比表面积和可调控的金属中心-有机配体组合，在催化、药物递送和环境修复中备受关注。单一金属MOF功能有限，双金属MOF已有报道，但同时引入铜(Cu)、钴(Co)、钛(Ti)三种具不同配位几何（Cu²⁺、Co²⁺倾向四面体/八面体，Ti⁴⁺强八面体偏好）且水解速率差异大的金属易导致相分离，尚未见以4,4',4"-s-三嗪-2,4,6-三基-三苯甲酸(4,4,4-s-triazine-2,4,6-triyl-tribenzoic acid, TATB/H_{3)为配体的Cu/Co/Ti三金属MOF报道。研究人员假设微波辅助合成可提供快速均匀加热促进同步成核，克服动力学差异实现均相三金属框架，结合三种生物活性金属各自优势（Cu抗菌、Co催化/抗菌、Ti光催化/抗癌/药物载体）及MOF多孔结构，有望获得兼具抗癌、抗菌抗真菌及染料吸附能力的多功能材料。该研究成果发表于《Results in Chemistry》。}

【主要关键技术方法】

研究人员以TATB为有机配体，按配体:金属=3:1:1:1摩尔比（各金属硝酸盐各1 mmol，配体3 mmol）超声分散后微波辐照(320 W, 30 min)合成Cu/Co/Ti-MOF，经乙醇和水洗涤、真空干燥得产物。采用FTIR、XRD、SEM-EDS（含元素Mapping）、TEM、TGA及N₂吸附-脱附(BET/BJH)进行物化表征。生物学评价包括：MTT法检测对A-431人表皮鳞癌细胞(ATCC A-431)及正常人表皮角质形成细胞(HEKa, ATCC PCS-200-011)的细胞活力计算IC₅₀；按临床和实验室标准协会(Clinical and Laboratory Standards Institute, CLSI)标准测定对6株革兰氏阳性/阴性菌的抑菌圈直径(inhibition zone diameter, IZD)、最小抑菌浓度(minimum inhibitory concentration, MIC)和最小杀菌浓度(minimum bactericidal concentration, MBC)，及对3株致病真菌的IZD、MIC和最小杀真菌浓度(minimum fungicidal concentration, MFC)；刚果红(Congo Red, CR)溶液在不同吸附剂投加量、pH(5~10)、温度(25~80 ℃)、接触时间(15~120 min)下用紫外-可见分光光度计于497 nm测吸光度计算吸附率，优化条件。实验独立重复三次(n=3)，单因素方差分析(one-way ANOVA)及Tukey事后检验，显著性水平p<0.05。

【研究结果】

3.1 Cu/Co/Ti三金属MOF的合成与表征

研究人员通过微波辅助法获纳米级平均粒径约77 nm的产物。EDS Mapping显示Cu、Co、Ti均匀分布无大规模相分离。FTIR检出M–O（Cu–O ~510 cm^?1、Co–O ~550/670 cm^?1、Ti–O ~650 cm^?1）及Ti–N（~600 cm^?1）键及配体特征峰，证实金属-配体配位。XRD出现归属Cu（[111][200][220]）、Co（[220][311]等）、Ti（[011][002]等）的特征衍射峰，支持三金属共存结晶相。N₂吸附-脱附呈Type-V等温线，为介孔材料，BET比表面积54 m²/g，平均孔径1.13 nm，孔容0.48 cm³/g。TGA表明材料热稳定至~300 ℃，~170 ℃微失重为表面吸附水，>350 ℃配体分解及骨架崩解。SEM/TEM确认纳米尺度均匀形貌。综上，FTIR、XRD及EDS Mapping共同支持TATB与Cu²⁺/Co²⁺/Ti⁴⁺形成均质三金属MOF结构。

3.2 抗癌性能结果与讨论

研究人员用MTT法测试不同浓度(6.25~50 μg/mL)及时间(24 h/48 h)下对A-431细胞存活率影响。48 h时50 μg/mL抑制约67%癌细胞增殖，IC₅₀=31 μg/mL；24 h时IC₅₀=42 μg/mL，浓度和时间均为显著影响因素(p<0.05及p=0.00)。同浓度(50 μg/mL, 48 h)作用于正常HEKa细胞，相对存活率98.6±4.2%，无显著毒性，显示选择性抗癌及良好生物相容性。研究人员认为适中比表面积增加材料-癌细胞接触，加之Cu、Co、Ti各自报道的抗癌特性（特别是Ti对皮肤癌）协同作用，可能是高活性原因，推测机制涉及氧化还原活性Cu/Co离子产生活性氧(reactive oxygen species, ROS)诱导凋亡，但未做详细机制实验。

3.3 抗菌性能结果与讨论

研究人员测试对3株革兰氏阳性菌(Streptococcus agalactiae ATCC 12386、Listeria monocytogenes ATCC 19115、Staphylococcus aureus ATCC 29213)和3株革兰氏阴性菌(Klebsiella pneumoniae ATCC 13883、Yersinia enterocolitica ATCC 9610、Proteus mirabilis ATCC 7002)。MIC范围4(G⁺部分菌株)~32 μg/mL(Y. enterocolitica)，MBC 8~64 μg/mL。对氨苄西林(Amoxicillin)不敏感的K. pneumoniae(MIC 8 μg/mL, MBC 16 μg/mL)及头孢氨苄(Cephalexin)不敏感的L. monocytogenes仍有抑制，IZD分别达14.85 mm和15.29 mm。广谱抗菌性归因于三金属固有抗菌性及较大比表面积增进细菌接触。

3.4 抗真菌性能结果与讨论

研究人员测试对Cryptococcus neoformans ATCC 32045、Aspergillus fumigatus ATCC 204305、Candida albicans ATCC 10231。MIC为4(C. albicans)~32 μg/mL(A. fumigatus)，MFC 8~64 μg/mL，IZD最高19.57 mm(C. albicans)。对照抗真菌药托萘酯(Tolnaftate)无活性菌株均被抑制。强抗真菌性主要归因含铜组分及三金属协同+高比表面积。

3.5 刚果红吸附性能结果与讨论

研究人员优化吸附条件：CR初始400 mg/L，MOF投加量60 mg/L（再高因团聚致效率略降），pH 8（弱碱利于氢键且避水解），50 ℃（接近60 ℃最高值93%但节能），接触时间90 min达平衡。此条件下90 min去除率93%。吸附主因归结于MOF表面丰富氢键位点及适中比表面积促进CR分子作用。酸性致官能团质子化减位点，强碱致表面负电与阴离子染料排斥并可能水解破坏骨架。

3.6 本研究局限性

研究人员指出：结构未用单晶XRD或Rietveld精修确证；未做X射线光电子能谱(XPS)确认价态及金属间电子作用；未做抗癌机理(ROS、凋亡)实验；仅用一种癌细胞系未扩展其他及更多正常细胞选择性测试；吸附未做等温线与动力学模型拟合。

【讨论与结论翻译】

结论：本研究中，研究人员通过微波辅助法成功合成了一种新型三金属Cu/Co/Ti-MOF。该材料经FTIR、XRD、SEM-EDS、TEM、TGA和BET表征。尽管比表面积适中(54 m²/g)，该MOF对A-431皮肤癌细胞表现出有前景的抗癌活性(IC₅₀=31 μg/mL)、广谱抗微生物效应(MIC=4–32 μg/mL)及高刚果红吸附容量(优化条件下去除率93%)。这些性质源于三种生物活性金属的组合及丰富的氢键位点。然而，本研究存在若干局限：MOF结构未通过单晶XRD解析、未进行XPS分析、未探究抗癌机制、未包含吸附等温线/动力学模型。未来工作应聚焦于结构精修、机理研究(ROS、凋亡)、正常细胞系选择性测试及详细吸附建模。总体而言，Cu/Co/Ti-MOF代表了一种用于开发生物医学和环境应用多功能材料的有前景起点。