金属有机框架（MOFs）在抗菌应用中的研究进展：一篇全面综述

本文由Zhao Chen、Fei Xing、Peiyun Yu、Yuxi Zhou、Rong Luo、Ming Liu和Ulrike Ritz等学者合作完成，分别来自中国四川大学华西医院骨科研究所、德国波恩大学LIMES研究所、德国吉森大学牙周病学系以及德国美因茨大学医学中心骨科与创伤学系。该综述于2023年12月发表在期刊*Acta Biomaterialia*（卷175，页码27–54）上，是一篇关于金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）在抗菌领域应用的系统性综述。文章以开放获取形式发布，遵循CC BY-NC-ND 4.0许可协议。

研究背景与意义
抗生素耐药性的日益严重迫使科学界寻找新型抗菌策略。MOFs作为一种由金属离子与有机配体通过配位键形成的多孔晶体材料，因其高比表面积、可调控的纳米结构、良好的生物相容性以及均匀分布的催化位点，近年来在抗菌研究中备受关注。MOFs的抗菌机制多样，包括金属离子和有机配体的持续释放、化学催化或光催化产生活性氧（ROS）等。与传统抗生素相比，MOFs具有多重优势：如通过降解实现长效抗菌、通过配位作用增强膜穿透能力、通过光响应产生ROS等。此外，MOFs还能作为载体负载抗生素、纳米金属或酶等外源抗菌成分，实现协同杀菌。本文旨在全面总结MOFs的合成方法、抗菌机制及其在伤口感染、骨髓炎和牙周炎等疾病中的应用进展，并探讨当前挑战与未来机遇。

主要内容与观点

1. MOFs的合成方法
   文章详细介绍了五种MOFs合成方法：

   • 溶剂热法：通过高温高压条件促进反应，产物结晶度高但放大生产困难（如Fe-MOF-74、MIL-53的合成）。
     
   • 机械化学法：无溶剂条件下通过机械力触发反应，环保但产量低（如Cu₃(BTC)₂的合成）。
     
   • 电化学法：通过阳极溶解或阴极沉积实现可控合成，适合表面修饰但参数敏感（如HKUST-1的制备）。
     
   • 超声法：利用空化效应加速反应，耗时短但可能损伤晶体结构（如MOF-5的30分钟合成）。
     
   • 微波辅助法：快速高效但易局部过热（如Zr-UiO-66的分钟级合成）。
     每种方法的优缺点通过具体案例（如ZIF-8、MIL-101(Cr)）对比分析，为研究者选择合成策略提供指导。

2. MOFs的抗菌机制
   根据作用方式，MOFs抗菌机制分为四类系统：

   • 内源组分释放系统：MOFs降解释放金属离子（如Zn²⁺、Ag⁺）或有机配体（如没食子酸），破坏细菌膜结构或代谢功能。例如，ZIF-8@rutin通过释放Zn²⁺和ROS对金黄色葡萄球菌（*S. aureus*）和大肠杆菌（*E. coli*）的抑菌率分别达3倍和6倍。
     
   • 外源组分释放系统：MOFs作为载体负载抗生素（如万古霉素）、纳米金属（如Ag NPs）或酶（如葡萄糖氧化酶），实现pH或H₂O₂响应性释放。研究显示，负载万古霉素的γ-CD-MOF对细菌的最小抑菌浓度（MIC）低于游离抗生素。
     
   • 自催化系统：MOFs模拟天然酶催化ROS生成，无需外源能量。例如，双金属Co-Fe NDS在低H₂O₂浓度下即可高效杀灭耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）。
     
   • 能量转换系统：通过光动力（PDT）、光热（PTT）或声动力（SDT）效应产生活性氧。如CuTcPP-Fe₂O₃在光照下对牙周致病菌（*P. gingivalis*）的杀菌率超过99%。
     

3. MOFs在特定感染疾病中的应用

   • 伤口感染：MOFs复合水凝胶（如Ce6@MOF-gel）通过协同释放Zn²⁺和光动力效应加速感染伤口愈合。
     
   • 骨髓炎：MOFs衍生的CuO@ZnO涂层钛植入物可抑制细菌生物膜（杀菌率99%），同时促进血管生成。
     
   • 牙周炎：负载二甲双胍的pCN-224微针联合光动力疗法显著减轻炎症并促进组织再生。
     

研究价值与亮点
本文首次系统整合了MOFs在抗菌领域的合成-机制-应用全链条研究，其科学价值体现在：
1. 多机制协同：提出MOFs通过离子释放、催化活性和能量转换等多途径协同抗菌，突破传统抗生素单一靶点限制。
2. 疾病导向设计：针对不同感染场景（如酸性环境的胃部幽门螺杆菌）定制MOFs材料，如pH响应型Ag-MOF。
3. 技术创新：开发了原子层沉积修饰（如CuTcPP-Fe₂O₃）和仿生双酶系统（如MOF-Au-Ce）等新型MOFs结构。

挑战与展望
尽管MOFs展现出巨大潜力，但仍面临以下问题：
- 生物安全性：部分金属离子（如Ag⁺）的长期毒性需进一步评估。
- 规模化生产：机械化学法等绿色合成工艺的产率亟待提升。
- 临床转化：现有研究多限于体外或动物模型，需推进临床试验验证。

这篇综述为MOFs在抗菌领域的应用提供了全景式视角，其跨学科整合（材料学、微生物学、临床医学）的研究框架将为未来抗感染材料的设计奠定理论基础。