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上海交大胡志刚/邹建新CCR:高生物相容性MOF材料的研发进展及其在个人防护及治疗方面的应用

科学材料站

2025-10-24

导读：上海交大胡志刚/邹建新CCR:高生物相容性MOF材料的研发进展及其在个人防护及治疗方面的应用

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文章信息

在全球公共卫生与精准医疗快速发展的当下，生物医用材料正迎来新的变革契机。传统的抗菌、防病毒与治疗体系往往依赖化学药剂或有机聚合物，存在耐药性、毒副作用、靶向性不足等问题。如何实现功能材料与生物系统的高效融合，构建能在体内外环境中动态响应、精准作用的“智能医学材料”，成为材料科学与生命科学的前沿挑战。

近日，上海交通大学材料科学与工程学院氢科学中心邹建新、胡志刚团队联合伦敦大学学院（UCL）外科生物技术系Hirak Patra教授团队在《Coordination Chemistry Reviews》上发表了题为“Advancing biocompatible metal-organic frameworks in personalized biomedical applications”的综述文章。该论文系统总结了金属有机框架（MOF）材料在生物医学领域从基础防护到临床治疗的前沿进展，全面叙述了其材料特性、生物机制、应用体系与转化前景，为MOF材料向个性化生物医用应用的转化提供了系统的科学基础。

1. MOF材料的独特生物医学特性

MOF材料在生物医学领域的应用得益于其超高比表面积、结构可设计性与刺激响应性。

高比表面积（>1000 m²/g）使其能够高效吸附病原体、负载药物分子或催化降解有害微生物；

结构可调性让研究者可通过金属节点与有机配体的组合，实现功能精准定制—如锆基MOF具备高稳定性，适合长期控释；锌基ZIF-8在酸性环境中快速降解，可用于肿瘤靶向释药；

在光、超声、电化学等外界刺激下，MOF还能产生活性氧（ROS），用于光动力治疗、自清洁和抗菌灭活。

更重要的是，多数MOF在生理环境中表现出良好的生物相容性与低毒性（如ZIF-8的IC50高达0.1 mg/mL），为其体内应用奠定了安全基础。凭借这些特性，MOF正成为实现“诊疗一体化”“响应可控”“个体化适配”的理想生物载体。

图1. MOF的多孔结构、ROS生成机制及生物相容性示意图

2. MOF在疾病预防中的创新应用

在疾病预防领域，MOF展现出多样化的应用前景。作为高效消毒剂，银、铜、钴等金属基MOF能释放金属离子或生成ROS，快速杀灭细菌与病毒。例如Ag-MOF膜对大肠杆菌的抗菌率接近100%，且具有长效抗菌特性。同时，MOF基自清洁材料可通过光催化、电催化或声催化实现自清洁功能，如ZIF-8在模拟太阳光下可灭活99.9999%的大肠杆菌，为医疗环境的清洁防护提供了新方案。

在药物负载方面，MOF能够高效负载抗生素、小分子药物甚至造影剂，并实现pH或温度响应释放。UiO-66负载环丙沙星后在特定pH条件下释放率显著提高，展现出精准控释能力。此外，MOF抗菌膜与组织工程支架也在医疗防护和修复中发挥重要作用，如Zr-TSS-1@BC膜在可见光下1小时内对常见致病菌灭菌率接近100%，同时MOF在骨组织工程中能促进成骨分化与血管生成。

图2 可作为消毒剂的MOF示意图

3. MOF在生物传感与诊断中的突破

MOF在生物传感与诊断领域同样展现出巨大潜力。其高比表面积和可调控的孔道结构使其成为理想的传感材料。例如，Cu-TCPP MOF用于检测PD-L1外泌体，灵敏度极高，为肿瘤早期诊断提供了新方法。MOF基电化学传感器还能实时监测葡萄糖、过氧化氢、多巴胺等关键生物标志物，为疾病诊断和健康监测提供精准数据支持。

在医学影像方面，钆、锰、铁基MOF具备优异的MRI造影性能。其中，Gd-Cmdcp的弛豫率达13.46 mM^–1·S^–1，显著高于商用对比剂，能够提供更清晰的影像对比。这些MOF基造影剂不仅能提高诊断准确性，还能实现治疗一体化，为精准医疗开辟了新途径。

图3. MOF作为光催化生物传感器的示意图

4. MOF在疾病治疗中的前沿进展

在疾病治疗领域，MOF的应用更加深入和多样化。动态治疗是MOF的重要方向，光动力疗法（PDT）中，Cu-TCPP@Fe₂O₃可用于牙周炎治疗，通过ROS杀灭病原体并促进组织修复；在声动力疗法（SDT）中，ZIF-8衍生材料可以在超声下产生ROS，有效抑制肿瘤生长；电动力疗法（EDT）则可以利用Zr-TCPP MOF在交流电场下生成•OH，实现高效抗菌治疗。

靶向药物递送是MOF的另一大优势，能够实现针对特定组织的精准给药。MOF-808负载氟尿苷与卡铂可精准靶向肝癌细胞，显著提高治疗效果同时降低副作用。在肾脏疾病治疗中，ZIF-8负载FGF21能有效改善急性肾损伤，而ZJU-64-NSN负载普鲁卡因胺则实现胃肠道药物的pH控制释放，展现了个性化治疗的巨大潜力。

图4. 用于光动力疗法的MOF示意图

5. MOF在免疫治疗与再生医学中的探索

MOF在免疫治疗领域展现出独特价值。ZIF-8可负载OVA抗原与CpG ODN，有效诱导T细胞免疫反应，形成长效免疫记忆。这种MOF基疫苗平台不仅合成简便，还能实现抗原和佐剂的同时递送，显著增强免疫效果。此外，MOF还能调节肿瘤微环境，增强免疫细胞浸润，为肿瘤免疫治疗提供新策略。

在再生医学方面，MOF通过促进组织修复和血管生成发挥重要作用。含有MOF的骨修复支架不仅能提供三维支撑结构，还能持续释放促进骨再生的金属离子，实现“材料即药物”的治疗理念。MOF基神经导管和皮肤支架也在实验研究中展现出促进组织再生的良好效果，为再生医学提供了新的材料平台。

图5.用于体内成像和免疫疗法的MOF示意图

6. 从实验室到临床：挑战与突破

尽管MOF在生物医学领域展现出广阔前景，但其临床转化仍面临诸多挑战。目前仅有RiMO-301（铪基卟啉MOF）进入I期临床试验，用于增强肿瘤放疗效果，初步结果显示其安全性良好且具有显著抗肿瘤活性。然而，MOF的长期毒性评估仍不完善，缺乏系统性的多剂量、跨物种研究数据。

生产工艺方面，MOF的规模化制备仍存在瓶颈，批次一致性和成本控制亟待解决。此外，MOF在生理环境中的稳定性也需要进一步提升，特别是在血清环境中易受蛋白质和磷酸根影响而导致结构降解。这些问题的解决需要材料科学、医学和工程学等多学科的深度融合与协作创新。

图6. MOF一期临床实验示意图

7. 未来展望：MOF在精准医疗的新机遇

展望未来，MOF在精准医疗领域具有巨大发展潜力。随着合成技术的进步，MOF有望实现更高程度的个性化设计，像“乐高积木”一样根据患者具体情况定制材料结构。智能药物递送系统将能在一个MOF平台中同时负载多种药物，实现“午餐盒”式的多靶点治疗，极大提升治疗效果和患者依从性。

新型MOF基医疗器械也在快速发展。自清洁防护装备通过将MOF织入纺织品，可实现医疗防护用品的重复使用，有效减少医疗废物。MOF基微机器人（MOFBOTs）能在磁场引导下实现精准药物递送，为微创治疗开辟新途径。此外，仿生“人工病毒”和“伪细胞”设计将可能为基因治疗和免疫治疗提供全新平台，展现出MOF在下一代医疗技术中的核心地位。

图7. MOF材料在个性化医疗领域的未来可能研究方向

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通讯作者简介

邹建新：上海交通大学材料学院特聘教授，教育部高层次人才、英国皇家化学会会士、氢科学中心副主任、国家重点研发计划首席科学家、氢电储能联合实验室主任。主要从事镁基能源材料方面的基础研究与应用开发工作，已在Science、Energy Environ Sci、Adv Mater等期刊上发表论文200余篇，被引超过9000次，获评“全球前2%顶尖科学家”终身榜，担任Nano-Micro Lett等国际期刊副主编；获得发明专利20多项，其中9项专利转让于企业，授权PCT专利3项，日本专利1项，美国专利2项。曾获2023年中国有色金属工业科学技术奖一等奖，2024年中国产学研合作促进会创新成果一等奖，2021年国际镁学会年度产品奖，2023年国际镁协未来技术奖，2024年IEA Hydrogen TCP奖等。

胡志刚：上海交通大学材料科学与工程学院氢科学中心副教授、博士生导师。基于AI+能源材料研究范式，主要从事多孔材料的合成与高效催化剂的制备，及其在氢存储与纯化、碳捕集与转化、氨-氢转化等应用基础研究。入选上海领军人才（青年）、上海浦江人才、“全球前2%顶尖科学家榜单（2021-2025）”；指导学生获中国国际大学生创新大赛全国金奖、“源创杯”创新创意大赛全国二等奖等。在Chem Soc Rev、Energy Environ Sci、Adv Energy Mater等国际期刊发表论文80余篇，被引>8000次；撰写《富氢液态化合物储氢技术》和《先进镁基能源材料与系统》等书籍/章节。