长期以来，细菌感染严重危害着人类健康，迫切需要大力开发高效抗菌剂，以抑制细菌生长、防止生物膜形成和灭菌。近年来，虽然研发出了许多新型抗菌材料，但其中一些仍然存在缺陷。例如，金属离子和有机抗菌材料的疗效持续时间短，半导体光催化抗菌材料由于光吸收能力有限而效率较低。因此，应加大力度开发具有剂量小、效率高、疗效长、环境污染小、生物相容性好、对未来体内和体外抗菌应用有针对性的高效抗菌材料。最近，金属-有机框架（MOF）已成为各种抗菌应用的理想材料，这归因于它们的优异特性包括控制/刺激分解具有杀菌活性的成分、与细菌膜的强相互作用、光遗传活性氧物种（ROS）的形成、以及媲美其他抗菌材料的高负载和持续释放能力。
浙江工业大学潘响亮教授等人全面回顾了基于 MOF 材料的抗菌应用研究，并讨论了其抗菌效率的评估方法。MOF在抗菌应用中的作用可划分为成分释放抗菌剂、光催化抗菌剂、螯合抗菌剂以及其他功能材料的载体或/和协同抗菌剂。通过深入了解MOF的抗菌机理，作者重点综述了对高效纯MOF抗菌剂的设计，并归纳了将MOF与其他四种抗菌材料（抗生素、酶、金属、金属氧化物和碳材料）复合，构建高效MOF复合抗菌剂的方法和应用。最后，作者提出了MOF抗菌材料的发展前景和挑战。该研究以题为“Metal–Organic-Framework-Based Materials for Antimicrobial Applications”的论文发表在《ACS nano》上。
【MOF材料的基本抗菌机制】
不同MOF材料的抗菌作用表现多种多样，如细菌灭活和死亡、抗生素耐药基因的去除、生物膜形成的抑制和生物膜的根除。根据不同的特点，MOF材料在抗菌应用上的作用被分为（图1）：成分释放抗菌剂、光催化抗菌剂、螯合抗菌剂以及其他功能材料的载体或/和协同抗菌剂。作者对上述四种抗菌剂进行了介绍。
成分释放抗菌剂，即MOF 本身就含抗菌成分。许多构成MOF材料的金属离子和有机配体已被证明具有抗菌性能。当对水敏感的MOF浸入水中时，其金属离子和配体将随着框架的突然崩溃而迅速释放，起到一定的抗菌效果（图2）。光催化抗菌机制主要基于半导体产生的光热裂解、光动力灭菌和光生 ROS作用。螯合抗菌机制是通过提高MOF和细菌细胞膜中金属离子的兼容性，使金属离子与MOF中的有机配体部分共享其正电荷，从而降低其极性，有利于高效杀菌。此外，MOF也可作为其他功能抗菌剂的载体或/和协同抗菌成分，从而提高了抗菌性能。
图1 MOF在抗菌应用中的作用
图2 控制释放抗菌成分的MOF构建
【纯MOF作为抗菌剂】
纯MOF作为抗菌剂已取得了许多进展，在金属成分方面，作者重点介绍了基于 Ag（图3）、Co和Cu离子的 MOF 作为金属成分释放抗菌材料。有机成分方面包括醛、酚、酰基苯胺、杂环、酸和盐，它们的抗菌机制可能部分归因于这些有机材料与细菌细胞钙和镁的结合，以及由此导致的细胞DNA分裂。作为光催化抗菌剂（图4），光敏MOF材料的光动力疗法被广泛应用于伤口感染的快速控制。同时，该类MOF也越来越多地用于体外光催化消毒，这种消毒是基于原位产生的ROS将细菌矿化成CO2和H2O，这为下一代MOF光催化抗菌剂的发展提供了广泛的可能性。此外，凭借纳米MOF的尺寸效应，也可以将其用作物理抗菌剂。MOF的纳米尺度赋予了其高表面积，从而增加MOF纳米粒子与细菌的相互作用，并促进MOF纳米粒子穿过细胞膜与脂酸、磷酸盐组或羟基膜群相互作用，破坏细菌细胞，从而改善其抗菌特性。
图3一些基于Ag离子的MOF结构
图4 MOF的光热效应有助于抗菌作用
【MOF基复合材料作为抗菌剂】
具有超高孔隙、可调孔径和大表面积的MOF为将其他功能性抗菌材料封装在孔内形成MOF基复合抗菌剂提供了合适的平台。如ZIF-8、UiO-66等，已在MOF复合抗菌剂的合成中被广泛应用为载体。通常，MOF基复合抗菌剂的释放机制可分为：MOF载体的降解和抗菌剂与MOF载体间静电相互作用的变化（图5）。随着MOF载体的缓慢降解或静电相互作用的变化，封装的抗菌剂从MOF中释放出来，发挥协同抗菌作用。作者主要从四个方面讨论了MOF基复合抗菌剂抗菌性能的最新研究进展：抗生素-MOF、酶-MOF（图6）、金属/金属氧化物-MOF和碳材料-MOF，并对这些MOF复合材料的复合成分、抗菌物质、最大装载含量以及MOF在抗菌应用中的主要作用进行了总结。
图5 静电相互作用持续释放抗菌剂的示意图
图6 几种酶-MOF材料的制备
总结与展望：过去十年来，应用于抗菌领域的基于 MOF 材料的开发有了巨大的进展。基于MOF的抗菌特性，作者详细讨论了纯MOF和基于MOF的复合材料在抗菌应用方面的最新成果，为下一代MOF抗菌材料的研发提供了实用指导。作者认为，虽然基于 MOF 的抗菌材料具有多重优点，但仍存在一些挑战需要克服。首先，MOF粉末的回收问题限制了其大规模应用，今后的研究应侧重于制造纳米MOF改性的宏观复合材料；其次，需要考虑MOF的潜在毒性，以促进临床研究的进展；第三，由于缺乏对光催化MOF抗菌剂的相关研究，对MOF材料设计和抗菌机理的研究仍然不足；第四，通过研究更多具有可调节尺寸、形态和表面功能的MOF对了解其抗菌机制是有价值的。最后作者希望MOF抗菌材料的研究将吸引更多跨学科团队的关注，从而加大抗菌材料的研究力度，以推进实际应用。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c09617
来源：高分子科学前沿
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