織物負載MOFs 醫(yī)用復(fù)合材料的研究進展

黃怡雯 魏發(fā)云 張 瑜 張 偉

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2.安全防護用特種纖維復(fù)合材料研發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇南通，226019）

金屬有機框架化合物（Metal Organic Frameworks，MOFs）是由金屬離子和有機配體組成的一種晶體材料［1］。其中的金屬離子又被稱為次級結(jié)構(gòu)基元（Secondary Building Units，SBUs），是MOFs 結(jié)構(gòu)中的節(jié)點，通過改變SBUs 和有機配體的種類以及與配體的連接方式，可以得到不同類型的MOFs。在過去的20 多年中，已有超過 20 000 種MOFs 結(jié)構(gòu)被研究報導(dǎo)。1995 年美國YAGHI O M 課題組［2］首次報道以過渡金屬Co和有機配體1，3，5-苯三甲酸自組裝形成的配位化合物，并將其命名為MOFs，該材料就引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注，金屬有機框架結(jié)構(gòu)材料現(xiàn)已成為各領(lǐng)域的研究熱點。中心金屬離子、有機配體獨特的形貌和結(jié)構(gòu)，為MOFs 材料的廣泛應(yīng)用提供了基礎(chǔ)條件。因其比表面積大、孔隙率高、孔徑可調(diào)、易功能化等固有特性以及良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性，在氣體吸附與分離［3-4］、催化［5-6］、生物醫(yī)用［7-9］、傳感器［10］等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

雖然MOFs 制備簡單且性能優(yōu)異，但是在實際應(yīng)用時還面臨著許多問題。由于MOFs 通常為固體粉末，容易發(fā)生團聚，導(dǎo)致活性降低，限制了實際的使用。此外，成本高、難以分離與回收也阻礙了MOFs 的大量使用。為了解決以上問題，將其負載到織物上是一種有效途徑。織物獲取容易，節(jié)省了前期制備基底的時間，并且價格低廉、柔韌性好，能更好地滿足實際應(yīng)用的環(huán)境條件［11］。

1 復(fù)合方法

常用的復(fù)合方法有浸漬法、輻射接枝法、熱壓法和原位生長法等。浸漬法和輻射接枝法主要是先制備好MOFs 顆粒再與織物進行復(fù)合。ABDELHAMEED R M 等［12］將苯-1，3，5-三羧酸（BTC）和三水合硝酸銅在N，N-二甲基甲酰胺中加熱至溶液蒸發(fā)得到藍色晶體Cu-BTC，然后將經(jīng)過過氧化氫氧化法處理的棉織物浸泡在不同Cu-BTC 含量的乙醇中得到Cu-BTC/棉織物復(fù)合材料。輻射接枝法利用鈷源、電子束、等離子體等高能射線的作用，在高分子基底材料上產(chǎn)生自由基活性位點，進而引發(fā)單體在活性位點上發(fā)生聚合反應(yīng)生成接枝聚合物。以強共價鍵將MOFs顆粒與織物結(jié)合在一起，相比于直接浸漬法更為牢固和持久。李萬新［13］將 MOFs 顆粒 MIL-101、丙烯酸羥乙酯（HEA）和尼龍織物輻射共接枝，成功將MIL-101 固定在織物表面。試驗結(jié)果表明，經(jīng)過改性后的尼龍織物比表面積顯著提高，香料緩釋性能也較原始尼龍更為出眾。

熱壓法是指將粉末狀的反應(yīng)物以一定比例混合，同時施加適合的溫度和壓力，快速得到目標(biāo)產(chǎn)物的方法。LI D 等［14］將 ZIF-8 的前驅(qū)體材料醋酸鋅和二甲基咪唑與聚乙二醇混合并均勻分布在凱夫拉織物上，以10 MPa 的壓力，200 ℃的溫度反應(yīng)10 min 得到ZIF-8@凱夫拉織物復(fù)合材料。該方法快速簡便、無溶劑、成本低，為MOFs 的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但是該方法仍存在一些不足，例如制備的MOFs 涂層分布不夠均勻、與織物結(jié)合不夠牢固等。與熱壓法相比，原位生長法制備的MOFs/柔性織物復(fù)合材料表面形貌更為均一，但反應(yīng)時間較長。NIE X 等［15］在棉織物上原位生長卟啉基金屬有機框架PCN-224。將前驅(qū)體材料 5，10，15，20-四（4-羧基苯基）卟啉（TCPP）、苯甲酸（BA）和八水氧氯化鋯（ZrOCl2·8H2O）添加到 N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶劑中。將棉織物浸入共同超聲10 min后，在90 ℃下加熱反應(yīng)5 h 得到PCN-224/棉織物抗菌復(fù)合材料。為了更精確控制MOFs 層的覆蓋率和厚度，以及改善一些織物表面惰性以增強MOFs 和織物間的相互作用，逐層法［16］和氧化物原子層沉積法［17］等方法應(yīng)運而生。此外，MOFs與織物的復(fù)合方法與MOFs 自身的制備方法有關(guān)，比如水熱法［18］和微波輔助法［19］等。

2 織物負載MOFs 復(fù)合材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

醫(yī)用紡織品是紡織技術(shù)與醫(yī)學(xué)科學(xué)結(jié)合而形成的新領(lǐng)域，是紡織品中創(chuàng)新性最強、科技含量最高的品種之一。MOFs 材料和織物的復(fù)合對拓展和促進紡織材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有重大意義。

2.1 抗菌

隨著抗菌藥物在臨床上的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)藥物對細菌的滅殺作用逐漸減弱。目前，我國臨床細菌耐藥狀況十分嚴(yán)峻，各種常見多重耐藥菌和泛耐藥菌的檢出率比較高［20］。因此，研制高效新型非特異性抗菌材料具有重要戰(zhàn)略意義。

眾所周知，銀離子（Ag+）、鋅離子（Zn2+）、銅離子（Cu+/Cu2+）和鈷離子（Co2+）等具有優(yōu)異的抗菌性能，可以將MOFs 看做是金屬離子的存儲室，可以通過逐漸釋放金屬離子來達到持久抗菌的效果。YANG Y 等［21］將 ZIF-8 在室溫下原位生長在棉織物上，再涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）以制備具有超疏水性和抗菌性的復(fù)合材料。ZIF-8釋放的Zn2+離子是一種無毒的抗菌性陽離子，與細胞膜蛋白相互作用，破壞細菌結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細胞內(nèi)化，與酶和DNA 發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致細胞功能障礙，從而達到抗菌效果。經(jīng)試驗證明，該材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有良好的抗菌性能，經(jīng)3 000 次磨損和5 次洗滌后仍能保持超疏水性和抗菌性。

MOFs 材料是一類具有生物殺滅活性的潛在光催化劑。在光的照射下，光催化劑將表面吸附的O2轉(zhuǎn)化成活性氧（ROS），如羥基自由基、超氧化物、單線態(tài)氧和過氧化氫，攻擊細胞壁和細胞膜，進入菌體發(fā)生一系列連鎖反應(yīng)，從而達到滅殺細菌的作用［22］。LI P 等［23］設(shè)計合成了新型綜合空氣過濾器。將一系列具有光催化活性的MOFs 進行了抗菌測試，ZIF-8 在一系列MOFs 中脫穎而出，具有超高抗菌性能，殺菌率大于99.999 9%。然后利用熱壓法將ZIF-8 負載在非織造布上，該復(fù)合材料在30 min 內(nèi)對空氣中的細菌具有99.99%的光催化殺滅效果，可去除97%的顆粒物（PM）。

抗菌光動力滅活（aPDI）是一種治療細菌感染的方法。將光動力失活策略應(yīng)用到織物材料中，從而產(chǎn)生可伸縮、非特異性和堅固耐用的紡織品。aPDI 的作用取決于無毒的光敏劑、氧分子和光的相互作用。選擇合適的光敏劑至關(guān)重要。目前在aPDI 中使用的光敏劑包括天然化合物（例如姜黃素和金絲桃素）、合成染料（例如亞甲基藍和玫瑰紅）、四吡咯（即卟啉，二氫卟酚和酞菁）和硼二吡咯二烯等。近年來，MOFs 材料作為一種新型光敏劑，其多孔性更利于單線態(tài)氧的擴散。NIE X 等［24］為了分別通過化學(xué)偶聯(lián)和原位生長將石墨烯量子點（GQDs）和PCN-224 固定在棉針織物（KCF）表面以生成單線態(tài)氧達到殺滅細菌的效果，構(gòu)建了以GQDs 為供體、PCN-224 為受體的熒光共振能量轉(zhuǎn)移對。經(jīng)測試表明：經(jīng)熒光反應(yīng)處理后，該織物的單線態(tài)氧產(chǎn)率提高了1.61 倍，在30 min 內(nèi)對金黃色葡萄球菌、枯草桿菌、銅綠單胞菌和大腸桿菌有高于99.999 9%的殺菌率。

2.2 藥物緩釋

近年來，全球?qū)ζつw癌、表皮損傷（如潰瘍、燒傷或其他創(chuàng)傷性皮膚損傷）發(fā)病率的關(guān)注日益增加，傳統(tǒng)藥物不能直接實現(xiàn)緩慢釋放的效果，在外部創(chuàng)傷類傷口中難以得到應(yīng)用。用于控制生物活性分子傳遞的材料被期望用于傷口敷料上，以開發(fā)具有抗菌和抗癌特性的新型材料。生物活性物質(zhì)可以是與不飽和金屬中心協(xié)同的小氣體分子（如NO、CO），也可以是吸附在孔隙網(wǎng)絡(luò)中的小活性藥物分子（5-氟尿嘧啶、咖啡因、米托蒽醌）或作為骨架連接物的生物活性藥物。MOFs 的多孔結(jié)構(gòu)和高度可定制性已引起人們的興趣，作為合適的藥物控釋材料，MOFs 材料可用于生物活性藥物的控釋。NOORIAN S A 等［25］通過原位生長的方法將谷氨酸鋅生物金屬-有機骨架（Bio-MOF）成功負載到纖維素織物上并分別摻入NO和5-氟尿嘧啶（5FU），研究了所制得復(fù)合材料對黑素瘤皮膚細胞的抗菌和抗癌活性。

2.3 人工腎

血液透析是最早的人工腎臟系統(tǒng)之一，它通過使用半透性多孔膜來清除尿毒癥毒素。MOFs優(yōu)異的生物相容性、獨特的孔道結(jié)構(gòu)使其在人工腎和人造腎中有很大的潛力。但是，MOFs 在人工腎應(yīng)用中對尿毒癥毒素的吸附和清除尚處于早期階段。ABDELHAMEED R M 等［26］采用原位生長法將UiO-66-（COOH）2成功固定在棉織物上，研究該材料在模擬血液中去除肌酐的效率。結(jié)果表明，相比于原始織物，UiO-66-（COOH）2@棉織物復(fù)合材料對肌酐的吸附性更強，最大吸附容量為212.8 mg/g，經(jīng)過3 個再生周期后，復(fù)合材料的肌酐吸附量仍達最大吸附容量的82%，具備良好的重復(fù)使用性。

3 結(jié)語

MOFs 的固體粉末形式阻礙了其實際應(yīng)用的發(fā)展，將其與不同的柔性織物相結(jié)合，得到的MOFs/織物復(fù)合材料是解決這一問題的有效途徑。盡管該材料已經(jīng)在實驗室研究中取得了部分成果，然而如何高效地宏量合成這些材料并實現(xiàn)其性能的可控調(diào)節(jié)是實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。此外，普通織物的耐酸堿性、耐熱性等以及MOFs 的穩(wěn)定性等性能有限，無法滿足一些特定的使用環(huán)境。由于MOFs 降解會釋放金屬離子和有機配體，該材料的生物毒性需要更加深入的研究，是真正投入臨床使用的基礎(chǔ)條件。總之，MOFs/織物復(fù)合材料在醫(yī)用紡織品領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用前景，盡管還存在一些問題，但是隨著研究的深入，這些困難與挑戰(zhàn)終將迎刃而解。