https://doi.org/10.1002/adma.202503946

近日，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院神經(jīng)外科吳浩教授聯(lián)合北京理工大學(xué)在生物材料類頂刊《Advanced Materials》（JCR分區(qū)Q1，IF：27.4）發(fā)表了題為“Advances in Biocompatible Metal-Organic Frameworks for Biomedical Applications”的綜述性文章。首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院神經(jīng)外科吳浩教授，東南大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院柴人杰教授和北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王博教授為共同通訊作者。北京理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特別副研究員李喆、生命科學(xué)學(xué)院碩士研究生何明鴻、北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特別副研究員王淵博和北京大學(xué)航空航天臨床學(xué)院航天中心醫(yī)院楊靜博士為共同第一作者。該文章總結(jié)了幾類生物相容性金屬有機(jī)框架（MOFs）及其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的最新進(jìn)展，并展望了該領(lǐng)域需要克服的挑戰(zhàn)以及該材料在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：MOFs，生物相容性金屬有機(jī)框架，Zn-MOFs，腫瘤治療，神經(jīng)修復(fù)；

MOFs是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔配位聚合物，由于具有孔隙率高、合成工藝簡(jiǎn)單、表面容易功能化、生物相容性顯著等優(yōu)點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)上得到廣泛應(yīng)用，如腫瘤治療、神經(jīng)修復(fù)、傷口愈合、椎間融合器設(shè)計(jì)、藥物精準(zhǔn)靶向遞送、生物傳感等領(lǐng)域。根據(jù) MOFs 的生物安全性，含銅（Cu）的 MOFs 可被視為高毒性；含鐵（Fe）的 MOFs 可歸類為有毒 MOFs；而含鋅（Zn）的 MOFs 可歸類為低毒性材料（圖1）。

圖1 MOFs的分類及應(yīng)用

Zn-MOFs作為皮膚保濕劑廣泛應(yīng)用于皮膚病學(xué)，具有抗炎和抗菌作用。同時(shí)由于其低毒性、生物可降解性和化學(xué)穩(wěn)定性等多功能特性，Zn-MOFs 被認(rèn)為是作為遞送系統(tǒng)制備納米膠囊和控制藥物釋放的良好候選材料。根據(jù)結(jié)構(gòu)差異，有機(jī)配體的變化會(huì)改變最終孔徑，進(jìn)而對(duì)其應(yīng)用產(chǎn)生一定影響（圖2）。

圖2 Zn-MOFs的不同結(jié)構(gòu)

Cu是一種參與多種生物過(guò)程的礦物質(zhì)元素，包括呼吸、代謝和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)。Cu離子具有很強(qiáng)的抗菌性能，并能上調(diào)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子以促進(jìn)血管生成。一些 Cu-MOFs 表現(xiàn)出優(yōu)異的酶活性，使其在腫瘤治療和生物傳感方面具有競(jìng)爭(zhēng)力。此外，Cu-MOF 具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力，在光熱治療（PTT）中具有一定的潛在應(yīng)用價(jià)值。銅基MOFs材料典型且獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征。這些結(jié)構(gòu)代表不同的拓?fù)錁?gòu)型：HKUST-1的立方孔結(jié)構(gòu)形態(tài)更為規(guī)整，更適合作為載體材料；而Cu-Amp具有二維層狀結(jié)構(gòu)，在抗菌應(yīng)用中可能表現(xiàn)更優(yōu)（圖3）。

圖3 Cu-MOFs的不同結(jié)構(gòu)

Fe是一種生物相容且生物安全的過(guò)渡金屬。數(shù)百種蛋白質(zhì)利用鐵來(lái)執(zhí)行多種細(xì)胞功能，包括線粒體呼吸、基因調(diào)控以及 DNA 合成或修復(fù)等生命過(guò)程。同時(shí)，由鐵基材料制備的 MOFs 表現(xiàn)出優(yōu)異的磁靶向和磁共振成像（MRI）應(yīng)用。通過(guò)調(diào)整材料結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e-MOFs 還可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)靶向、綜合診斷和治療功能。鐵基MOFs材料傾向于選用柔性配體（富馬酸）或大環(huán)配體（TCPP）以增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，其孔結(jié)構(gòu)多為介孔（如MIL-100中2.5或2.9nm的孔徑），更適合大分子負(fù)載（圖4）。

圖4 Fe-MOFs的不同結(jié)構(gòu)

MOFs憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。MOFs的多孔結(jié)構(gòu)具有高比表面積和可調(diào)節(jié)的孔徑，可以為藥物分子或生物分子提供大量的吸附位點(diǎn)和合適的存儲(chǔ)空間，通過(guò)負(fù)載不同載體實(shí)現(xiàn)精確的功能性神經(jīng)康復(fù)。如X射線觸發(fā)式RuFe MOF的按需釋放，可有效減少活性氧生成，清除自由基及活性氮物質(zhì)，從而保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷。同時(shí)，通過(guò)抑制神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞增殖和神經(jīng)炎癥反應(yīng)，促進(jìn)脊髓組織修復(fù)。而加入聚左旋乳酸的核殼結(jié)構(gòu)MOF材料-SrCO3@ZIF-8/PLLA復(fù)合支架，可顯著促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，加速了缺損處的骨再生效率。

生物相容性材料也是推動(dòng)神經(jīng)脊柱脊髓外科發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。傳統(tǒng)材料（如鈦合金、PEEK、生物陶瓷、膠原）已廣泛應(yīng)用，而新興的MOFs材料（如Zn-MOFs, Cu-MOFs）憑借其超高負(fù)載能力、可調(diào)控的藥物釋放、固有的抗菌/抗氧化活性以及作為多功能支架材料的潛力，為該領(lǐng)域帶來(lái)了新的機(jī)遇。它們?cè)诰植靠垢腥尽⒖寡追勒尺B、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子遞送促進(jìn)再生、以及構(gòu)建智能神經(jīng)修復(fù)支架等方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在脊柱融合術(shù)中的植入物（如椎間融合器、固定螺釘/棒涂層）、人工椎間盤(pán)、硬膜替代物、神經(jīng)導(dǎo)管/支架材料方面也具有極大的應(yīng)用潛力。然而，其長(zhǎng)期生物安全性、降解行為控制、穩(wěn)定性和臨床轉(zhuǎn)化仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著材料科學(xué)、納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程的交叉融合，Zn-MOFs、Cu-MOFs等先進(jìn)生物相容性材料有望在未來(lái)為神經(jīng)脊柱脊髓疾病的治療提供更安全、更有效的解決方案。

然而，MOFs在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，如可降解材料亟需開(kāi)發(fā)、生物安全性有待提升、批量化制備技術(shù)仍需完善。未來(lái)研究方向?qū)⒕劢乖O(shè)計(jì)與合成新型MOFs、深入研究其在體作用機(jī)制、探索更經(jīng)濟(jì)的合成方法以及拓展其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。MOFs作為一種新興的多孔材料，憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域正逐步走向成熟。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，MOFs將為生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展帶來(lái)更多的突破，為人類健康事業(yè)做出重要貢獻(xiàn)（圖5）。

圖5 MOFs未來(lái)研究方向展望

共同第一作者

李喆

北京理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院

助理教授 特別副研究員

研究方向：干細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控、聽(tīng)力損失治療設(shè)備、自供電生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)、可降解電子設(shè)備以及芯片上的器官。主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目一項(xiàng)，作為技術(shù)骨干參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)課題，以第一及共同第一作者發(fā)表論著16篇，ESI 高被引論文 3 篇，獲批專利8項(xiàng)。

共同第一作者

何明鴻

北京理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2024級(jí)碩士研究生

研究方向：金屬有機(jī)框架衍生復(fù)合材料及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。在SCI雜志上以第一及共同第一作者發(fā)表論著1篇。

共同第一作者

王淵博

北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 特別副研究員

研究方向：多功能多孔材料的合成及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1項(xiàng)。相關(guān)成果以第一作者（包括并列第一）發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Nano，Adv.  Funct. Mater.等國(guó)際著名期刊。

共同第一作者

楊靜

北京大學(xué)航空航天臨床學(xué)院航天中心醫(yī)院 神經(jīng)內(nèi)科副主任

研究方向：腦血管病、神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘疾病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染性疾病的診治。作為分中心主要完成人參與2項(xiàng)國(guó)家多中心研究；作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)多項(xiàng)省部級(jí)課題，參與“國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃腦卒中溶栓治療專項(xiàng)研究PROMISE-CHINA項(xiàng)目”的研究。在國(guó)內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表論10余篇，參編《腦脊液細(xì)胞學(xué)》專著。

共同通訊作者

吳浩

首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院

神經(jīng)外科副主任 主任醫(yī)師

教授 博士生導(dǎo)師

畢業(yè)于吉林大學(xué)醫(yī)學(xué)院(白求恩醫(yī)科大學(xué))，在凌鋒教授指導(dǎo)下獲得首都醫(yī)科大學(xué)神經(jīng)外科博士學(xué)位。2008年獲得北京市科技新星獎(jiǎng)，2022年獲王忠誠(chéng)中國(guó)神經(jīng)外科醫(yī)師學(xué)術(shù)成就獎(jiǎng)。主要學(xué)術(shù)任職：世界華人醫(yī)師協(xié)會(huì)/世界華人神經(jīng)外科協(xié)會(huì)脊柱脊髓專業(yè)委員會(huì)常委；中國(guó)醫(yī)師協(xié)會(huì)神經(jīng)外科分會(huì)脊柱脊髓學(xué)組委員；中國(guó)神經(jīng)脊柱學(xué)會(huì)常委兼秘書(shū)長(zhǎng)；中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會(huì)智能裝備技術(shù)分會(huì)第二屆委員；中華醫(yī)學(xué)會(huì)神經(jīng)外科分會(huì)脊柱脊髓學(xué)組委員；中華實(shí)驗(yàn)外科雜志編委；AO/ASIF國(guó)際內(nèi)固定研究學(xué)會(huì)講師；國(guó)際脊髓學(xué)會(huì)（ISCoS）終身會(huì)員；中國(guó)殘疾人康復(fù)協(xié)會(huì)脊髓損傷康復(fù)專業(yè)委員會(huì)（國(guó)際脊髓損傷學(xué)會(huì)中國(guó)脊髓損傷學(xué)會(huì)）青年委員；中國(guó)研究型醫(yī)院學(xué)會(huì)脊柱脊髓專業(yè)委員會(huì)副主委兼秘書(shū)長(zhǎng)。

擅長(zhǎng)脊柱退行性病變(頸椎、胸椎、腰椎疾病)；顱頸交接區(qū)畸形(寰樞椎脫位、顱底凹陷等);脊柱畸形(尤其是合并髓內(nèi)腫瘤及脊髓畸形的先天性側(cè)彎、老年人退變性脊柱側(cè)彎)；椎管內(nèi)腫瘤、髓內(nèi)腫瘤、椎體腫瘤、椎體轉(zhuǎn)移瘤;椎體骨折；脊髓拴系，脊髓空洞、小腦扁桃體下疝等脊柱脊髓疾病的治療，完成脊柱手術(shù)萬(wàn)余臺(tái)。

主持國(guó)家級(jí)課題2項(xiàng)，省部級(jí)課題4項(xiàng)、市局級(jí)課題1項(xiàng)，參與863、局級(jí)課題等多項(xiàng)課題，累計(jì)課題經(jīng)費(fèi)300余萬(wàn)元。目前已發(fā)表文章中第一作者或通訊作者發(fā)表SCI論文20余篇。出版學(xué)術(shù)專著：《神經(jīng)外科學(xué)》第四版擔(dān)任編者，《漫話脊柱》擔(dān)任主編，《顱頸交界和頸椎外科手術(shù)圖譜》擔(dān)任主譯，《脊柱顯微外科系列教程》（1—6冊(cè)）及《脊柱內(nèi)固定圖譜》第一版、第二版擔(dān)任副主編，《神經(jīng)脊柱外科學(xué)》擔(dān)任副主譯，《脊柱顯微外科訓(xùn)練教程》擔(dān)任編委，《脊髓損傷現(xiàn)狀》擔(dān)任主譯。

【出診時(shí)間：周一下午及夜間特需門(mén)診】

共同通訊作者

柴人杰

東南大學(xué)生命健康高等研究院執(zhí)行院長(zhǎng) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長(zhǎng) 二級(jí)教授 博士生導(dǎo)師

長(zhǎng)期致力于內(nèi)耳毛細(xì)胞和神經(jīng)元的再生和保護(hù)以及神經(jīng)干細(xì)胞和內(nèi)耳干細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制的研究。主持科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃干細(xì)胞及轉(zhuǎn)化研究重點(diǎn)專項(xiàng)，科技部青年973計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，重大集成項(xiàng)目1項(xiàng)，面上項(xiàng)目2項(xiàng)。近5年發(fā)表通訊作者SCI論文130篇，其中1篇論文入選Cell正刊年度最佳論文，13篇論文入選了ESI高被引論文。

共同通訊作者

王博

北京理工大學(xué)校黨委常委副校長(zhǎng) 教授 博士生導(dǎo)師

長(zhǎng)期致力于內(nèi)耳毛細(xì)胞和神經(jīng)元的再生和保護(hù)以及神經(jīng)干細(xì)胞和內(nèi)耳干細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制的研究。主持科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃干細(xì)胞及轉(zhuǎn)化研究重點(diǎn)專項(xiàng)，科技部青年973計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，重大集成項(xiàng)目1項(xiàng)，面上項(xiàng)目2項(xiàng)。近5年發(fā)表通訊作者SCI論文130篇，其中1篇論文入選Cell正刊年度最佳論文，13篇論文入選了ESI高被引論文。