基于非共价相互作用的金属-有机框架纳米材料表面修饰方法及其分析应用

The use of nanoscale metal-organic frameworks (nano-MOF) in biomedicine is constantly emerging due to their intrinsic advantages in drug delivery and imaging applications. Comparing to traditional carriers, two of the key advantages of nano-MOF are their high loading efficiency and biodegradable character. However, the degradable charatcter does cause troubles, one of the key problems derived from this character is the challenge to modify the surface of MOF nanoparticles permanently to confer unique surface functions for the modulation of nano-MOF biodistribution and their therapeutic efficacy improvement. Developing novel surface modification strategies represents a significant innovation that would greatly benefit the development of using porous nano-MOF in biomedicine. In this project, we will systematically explore the surface non-covalent intreactions with guest molecules in aqueous and biologaical milieu. The effect of degradation process of nano-MOF on the stability of the surface modification will also be examined. After that, novel, straightforward and efficient strategies which exploit the synergy of non-covalent interactions on the surface of nano-MOF will be developed for the modification of MOF nanoparticles based on functionaliezd polymers, in order to improve the efficacy of nano-MOF in biomedical applications. Moreover, we will use the polymer functionalized nano-MOF as a novel nano-vectors for bioimaging and drug delivery applications.

近年来，金属-有机框架纳米材料在生物医学领域获得了越来越广泛的应用。相比于传统纳米材料，此类材料具备高效的探针或药物分子装载性能、生理环境中的自然降解性能等独特优势，因此在探针和药物分子递送系统的开发与设计中具有巨大的应用前景。然而，金属-有机框架纳米颗粒降解性质导致其表面难以通过传统的表面修饰方法对其进行有效修饰，从而限制了此类材料的进一步应用。因此，发展新型、简单、有效的金属-有机框架纳米材料表面功能化修饰技术，必将促进其在生物医学领域中的应用和发展。本项目拟系统地研究常见金属-有机框架纳米颗粒在水相或生物环境中与环境中客体分子的非共价协同相互作用及其与降解过程的相互关系，以非共价协同相互作用为基础发展简单、高效的表面聚合物修饰方法，以克服该类纳米材料降解过快、以及降解后易于发生颗粒聚集或框架结构解体等难题。以聚合物修饰金属-有机框架纳米颗粒为模型，发展多功能探针或药物分子递送系统。

近年来，金属-有机框架纳米材料在生物医学领域获得了越来越广泛的应用。相比于传统纳米材料，此类材料具备高效的探针或药物分子装载性能、生理环境中的自然降解性能等独特优势，因此在探针和药物分子递送系统的开发与设计中具有巨大的应用前景。然而，金属-有机框架纳米颗粒降解性质导致其表面难以通过传统的表面修饰方法对其进行有效修饰，从而限 制了此类材料的进一步应用。因此，发展新型、简单、有效的金属-有机框架纳米材料表面功 能化修饰技术，必将促进其在生物医学领域中的应用和发展。本项目系统研究了常见金属有机框架纳米颗粒在水相或生物环境中与环境中客体分子的非共价协同相互作用及其与降解过程的相互关系，以非共价协同相互作用为基础发展了简单、高效的表面聚合物修饰方法，以克服该类纳米材料降解过快以及降解后易于发生颗粒聚集或框架结构解体等难题。以聚合物修饰金属-有机框架纳米颗粒为模型，发展了多功能探针或药物分子递送系统。以MIL-101(Fe)-NH2纳米粒子为模型系统考察了其表面非共价化学性质，阐明了其表面的静电和疏水性质机理及影响因素，据此设计了简单的聚合物修饰方法，初步实现了在材料降解过程中功能分子在其表面的“准永久”修饰。构建了基于聚合物修饰MOFs纳米粒子的多级释放体系，实现了探针或药物功能化的CS-PEG类聚合物复合物在MIL-101(Fe)-NH2纳米粒子表面的有效装载，同时，利用聚电解质层层组装技术对上述复合纳米粒子进行聚电解质多层膜包覆，成功构建了一种新颖的体内多级药物递送系统，系统考察了功能化CS-PEG聚合物的释放动力学及其生物成像与治疗功能。以一种在水溶液中结构稳定性较为优异的UiO-66(Zr)-NH2纳米粒子作为模型，将基于非共价相互作用的表面修饰方法进一步用于该材料的修饰中，考察了较高离子强度的溶液环境对修饰效果的影响，作为对比，进一步发展了一种基于脂质体融合技术的磷脂包覆方法，探索了在包覆过程中实现药物或荧光探针等功能分子的同步装载方法。