《三体》中有段描述，是外星人把十一维的质子展开，成为大到遮天盖地的二维平面，将它蚀刻电路输入海量信息，智能化改造后重新折叠恢复原态。

这一通操作，不禁让人感叹，「高级文明」真能装！

虽然跨维度折叠暂时只能出现在科幻小说中，但有这样一种新材料，它凭借独特的多孔结构达成了极致的比表面积，单克材料展开可相当于一个标准足球场大小，堪称「地球版折叠大师」。

MOF，英文全称Metal Organic Framework，意为金属有机框架。它是由有机配体和无机金属离子或者团簇通过配位键自组装形成的具有周期性网络结构的晶体多孔材料。

MOFs里面的有机配体称为连接体（linkers），金属离子或簇称为节点（nodes）。MOF的“框架”结构可类比于用“球”和“棒”插接而成的模型：中心的金属离子相当于“球”，而周围连结的有机分子配体是其中的“棒”。“球”和“棒”的组合可以形成千变万化的MOF结构。

▲ MOF基纳米复合材料形成过程中各种设计的示意图[1]

虽然MOF系列有很多种，但是MOF的命名直到现在还没有一定的标准规则。命名主要遵循四个方面：（1）材料组成；(2) 功能；(3) 结构；(4) 实验室/机构。一般来说，相同的MOF家族往往采用相同的合成方法制备，成员在前面用相同的字母命名，最后用不同的数字来区分不同的个体。下表中对 MOF 家族的命名进行了系统分类。

▲ MOF 家族的分类、缩写和全名[2]

▲ MOF

1995年，美国加州大学伯克利分校的Omar M.Yaghi教授研究小组在Nature杂志中报道了一个由刚性有机配体均苯三甲酸(BTC)与过渡金属Co合成的具有二维结构的配位化合物，并称其为MOF[3]，至此，金属有机框架这一概念正式被提出，并在随后的几十年以惊人的速度发展。

▲ MIL

2004和2005年，法国凡尔赛大学 Gérard Férevy小组在Angew.Chem Int.Ed[4]和Science[5]上相继报道了两个具有超大孔特征的类分子筛型 MOF——MIL-100和MIL-101。Férey研究小组还提出借助计算机模拟辅助设计合成目标结构的新策略，为MOF材料的发展翻开了新的一页。

▲ ZIF

2006年，Yaghi研分小组在PNAS上报道合成出了12种具有7种典型的硅铝分子筛拓扑结构的类分子筛咪唑骨架材料——ZIF-1到ZIF-12[6]，这些材料表现出优越的热稳定性和化学稳定性。随后，Yaghi研究小组又陆续报道了其他ZIF结构，使ZIF家族得到极大拓展。

随着近十几年来MOFs的迅猛发展，MOFs之间的键合作用已经不仅仅指配位键作用，还包括其他作用，比如：氢键作用，范德华力，芳香环之间的π-π作用等，这些丰富的作用力使得MOFs结构和功能更加多元化。

在理想情况下，通过合理设计配体和选择金属离子构筑的次级构建单元（SBUs），可以预测MOFs最终的框架结构，合成我们想要的结构和功能的MOFs。

MOF的结构有三层含义，即主体框架结构、晶体结构和样品颗粒结构[7]。

首先，MOF的应用常常涉及主体-客体的相互作用，所以很多研究致力于设计/改造主体框架结构。其次MOF的主体框架还需要以其晶体结构来描述。在MOF的晶体结构中，有机官能团的位置固定，且呈周期性排布。MOF中的原子和他们围成的孔道就像一座大厦里的砖瓦和房间，排列得整整齐齐。这非常有利于通过距离对其空间分布进行描述，并且能够建立微观距离和宏观反应活性之间的定量关系[8]。德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）Pascal Friederich, Manuel Tsotsalas等人的研究展示了基于MOF的晶体结构可以直接预测MOF的合成条件，并将机器学习用于合理化和加速MOF发现过程[9]。再者，包括大小、形貌、缺陷和表面修饰等在内的颗粒结构，对MOF的性能同样有重要影响。

刚性骨架是指能在外界条件，如加热、浸水、酸碱环境等恶劣条件下结构完整而不坍塌、不变形的骨架结构。而柔性的骨架则会随着外界特定条件的改变作出适应性改变。

与常规多孔材料相比，MOF的框架柔性特别显著，可以对外界刺激产生丰富多样的结构响应和动态行为，并可用于有效提高吸附储存、分离、传感等性能。调控MOF柔性的策略可以依赖于多个因素，包括主体、客体、颗粒特征和（或者）外界物理环境。框架柔性的设计/调控不仅有利于理解MOF材料的结构-性能之间的关系，还有助于研发性能优异的新型MOF材料[7]。例如，武汉大学张先正教授团队构建了一类具有精确排列结构的柔性-刚性混合相MOFs。该混合相MOF可以有区域选择性地负载多种分子，并能够被开发成为一种负载比可控、释放动力学可控的双药递送系统[10]。

▲ MOF柔性控制：从利用外界刺激控制柔性MOF的结构，到利用各种手段控制MOF对外界刺激的响应[7]。

谈到MOF的多孔结构和较大的比表面积，可以用海绵和蜂巢作形象的比喻。正是这样的多孔结构，让这些材料变得疏松、柔软。内表面积是衡量多孔材料内部空间的重要性能参数。MOF拥有远大于传统多孔材料（活性炭、沸石等）的内表面积，最高记录为每克MOF有7000平方米的内表面积，约等于一个标准足球场的面积。然而，大部分MOF的孔径低于2纳米，是典型的微孔结构，这种大小有限的孔结构会阻碍框架内的传质，阻碍它在催化等领域中的应用。为了克服这一局限性，研究者通过框架拓扑控制、引入模板剂、刻蚀法、构筑复合物等多种方法，在微孔MOF中引入介孔或大孔，从而得到具有多级孔结构的框架。这一策略保持了MOF的高比表面积，解决了微孔材料常见的传质问题，并为框架的后续修饰带来更多可能性[11]。

▲ 构建多级孔金属有机框架材料的合成策略[12]

MOF的有机配体和金属节点，都可以有很多种设计和选择。特别是有机配体部分，依托现在发展成熟的有机合成技术，几乎可以得到任何想要的有机配体，来组装成不同的MOF。MOF是“自组装材料”的一种。把组装MOF的原料按照一定的比例在溶液里混合、加热，这些零件就会“自动”地按照MOF大厦的设计图组装在一起。

目前，MOFs的合成方法主要有水/溶剂热合成、微波和超声辅助合成、微乳液合成、机械化学合成、连续流动合成、电化学合成、扩散合成、喷雾干燥合成、溶剂蒸发和离子热合成等。这些方法在合成效率、规模化生产、物理化学性质等方面各有优缺点。例如，水/溶剂热合成是一种在极性溶剂中高温高压制备MOFs的典型方法，具有晶体易于制备、合成方法简便等优点。但通常反应时间长，需要有机溶剂和高温高压等苛刻条件，不利于规模化生产[13]。考虑尺寸、形貌和表面功能化对 MOFs 化学性质的影响，需要不断优化合成方法以满足生物医学应用的特殊需求。

除了科学界的研究之外，工业用途的商用MOF也是一个非常突出的发展领域[14]。实验室中的大多数学术研究都只生产了毫克级的MOFs，这与工业要求存在显著差异。碱-辅助合成、微波合成、流体化学、电化学、使用超临界溶剂、机械化学合成和干法加热等技术已被探索用于MOF产品的商业化生产。

BASF是第一家认识到MOF潜力的商业巨头，并以商品名Basolite©开创了用于商业目的的MOF大规模生产的先河。像Strem这样的化学公司也生产了各种各样的MOF产品，包括CAU-10H、ZIF-8和UiO-66。Strem和 UK-based MOF Technology等开发了新的方法和技术来减少MOF合成过程中有毒试剂的使用，具有成本效益的MOF的大规模生产。诸如NovoMOF和NuMat Technologies之类的初创公司可根据客户的需求提供定制化的解决方案。其他公司则专注于特定的MOF，以解决独特的工业问题。

尽管这些公司大多数都没有公开其MOF的批量生产方法，但很显然，大规模MOF的生产方法已从传统的溶剂热方法发展为更有效的新技术，如机械化学合成。随着生产手段的改善，MOF的成本有望降低。当前，大多数可商业购买的MOF产品仅限于原型MOFs。这是由于有机配体的商业可获得性，使得所生成的MOF产品具有成本效益。同时，原型MOFs具有更好的稳定性，并且得到了更多的研究。有必要探索大规模生产其他有前景的MOFs，如具有高化学稳定性的Zr-基MOF或金属偶氮盐骨架。

MOF的应用研究要围绕着其“多孔材料”的身份进行。研究领域包括，气体储存和分离、水收集、催化、能量转换和存储、传感、诊断、治疗和诊疗一体等。随着合成方法和表面功能化策略的快速发展，具有先进生物相关特性的智能 MOF 基纳米复合材料已经被设计和制造以满足生物医学应用对 MOF 材料日益增长的需求。

MOF可以作为“缓释胶囊”，将药物分子装载到孔道里，然后在人体内缓慢地释放出来。与传统的 MOFs 相比，纳米级MOFs（nMOFs）具有高度有序的孔隙率和固有的孔径，并具有更大的比表面积，这使其生物活性和化学/胶体稳定性增强，表面改性更有效，生物分布得到改善。

包括 nMOF 在内的 MOF 具有以下优势：

▲ 用于生物医学应用的 MOF 合成和功能化的示意图。包括货物输送（即药物、核酸、蛋白质和染料）、生物成像、抗菌、生物传感和生物催化[15]

01

硼酸修饰的多变量光敏金属-有机框架对抗多重耐药细菌

Boronic Acid-Decorated Multivariate Photosensitive Metal–Organic Frameworks for Combating Multi-Drug-Resistant Bacteria

摘要：

金属有机框架（MOFs）在抗菌应用中显示出巨大的优势。然而，它们的杀菌活性仍然受到杀菌活性氧（ROS）的超短扩散距离的限制。南方科技大学蒋兴宇教授/中国科学院成都生物研究所天然产物研究中心邵华武研究员等人将结合细菌的硼酸配体和光敏卟啉整合到一个单一的 MOF 中，协同提高抗生素的抗菌能力。通过引入具有封闭物理间隙的硼酸基团，使多元 MOF 对根除多重耐药 (MDR) 细菌更有力。用硼酸修饰的 MOFs 比没有靶向配体的 MOFs 具有更高的抗菌效率（10-20 倍）。此外，MOFs 表现出优异的生物相容性。它们能显著降低炎症反应并加速感染 MDR 细菌的慢性伤口的愈合（快近 2 倍）。

▲ 原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11613

02

基于多功能金属有机骨架的饥饿/氧化纳米反应器改进的吲哚胺2,3-双加氧酶阻断肿瘤免疫治疗

Multifunctional metal-organic framework-based nanoreactor for starvation/oxidation improved indoleamine 2,3-dioxygenase-blockade tumor immunotherapy

摘要：

受抑制的免疫反应和低水平的传递限制了饥饿对癌症的治疗效果。重庆大学蔡开勇、西北工业大学杨慧、新加坡南洋理工大学赵彦利等人使用基于金属有机框架（MOF）的纳米反应器，联合传递葡萄糖氧化酶（GOx）和吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）抑制剂1-甲基色氨酸。MOF纳米反应器能够响应细胞内的ROS快速解离，释放MOF中组装的货物分子。GOx能够竞争性消耗葡萄糖、产生活性氧，进一步增强MOF的解离和药物分子的释放。饥饿/氧化联合IDO阻断免疫疗法不仅通过GOx激活的肿瘤饥饿和效应T细胞的募集来增强免疫应答和刺激免疫记忆，而且通过IDO阻断有效缓解免疫耐受，显著抑制体内肿瘤生长和转移。

▲ 原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30436-y

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参考文献：

1. Ge, X., et al., Recent development of metal-organic framework nanocomposites for biomedical applications. Biomaterials, 2022. 281: p. 121322.

2. Wang, Y., et al., Metal-organic frameworks for stimuli-responsive drug delivery. Biomaterials, 2020. 230: p. 119619.

3. Yaghi, O.M., G.M. Li, and H.L. Li, SELECTIVE BINDING AND REMOVAL OF GUESTS IN A MICROPOROUS METAL-ORGANIC FRAMEWORK. Nature, 1995. 378(6558): p. 703-706.

4. Ferey, G., et al., A hybrid solid with giant pores prepared by a combination of targeted chemistry, simulation, and powder diffraction. Angewandte Chemie-International Edition, 2004. 43(46): p. 6296-6301.

5. Férey, G., et al., A chromium terephthalate-based solid with unusually large pore volumes and surface area. Science, 2005. 309(5743): p. 2040-2.

6. Park, K.S., et al., Exceptional chemical and thermal stability of zeolitic imidazolate frameworks. Proc Natl Acad Sci U S A, 2006. 103(27): p. 10186-10191.

7. Zhang, J.P., et al., Controlling flexibility of metal-organic frameworks. National Science Review, 2018. 5(6): p. 907-919.

8. Gong, X., et al., Metal-Organic Frameworks for the Exploitation of Distance between Active Sites in Efficient Photocatalysis. Angew Chem Int Ed Engl, 2020. 59(13): p. 5326-5331.

9. Luo, Y., et al., MOF Synthesis Prediction Enabled by Automatic Data Mining and Machine Learning. Angew Chem Int Ed Engl, 2022. 61(19): p. e202200242.

10. Wang, X.G., et al., Construction of Flexible-on-Rigid Hybrid-Phase Metal-Organic Frameworks for Controllable Multi-Drug Delivery. Angew Chem Int Ed Engl, 2020. 59(41): p. 18078-18086.

11. Feng, L., et al., Hierarchically porous metal-organic frameworks: synthetic strategies and applications. Natl Sci Rev, 2020. 7(11): p. 1743-1758.

12. Feng, L., et al., The chemistry of multi-component and hierarchical framework compounds. Chem Soc Rev, 2019. 48(18): p. 4823-4853.

13. Beg, S., et al., Nanoporous metalorganic frameworks as hybrid polymer-metal composites for drug delivery and biomedical applications. Drug Discov Today, 2017. 22(4): p. 625-637.

14. Teo, W.L., et al., Industrializing metal-organic frameworks: Scalable synthetic means and their transformation into functional materials. Materials Today, 2021. 47: p. 170-186.

15. Yang, J. and Y.W. Yang, Metal-Organic Frameworks for Biomedical Applications. Small, 2020. 16(10).