无机mof粒子与生物dna杂化水凝胶材料的合成及性质研究.docx

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摘要：表面配位化学可以有效地将具有良好生物相容性的生物高分子DNA固定在MOFs材料表面，通过DNA的特异性识别功能来实现MOFs材料的生物功能化，再利用DNA自组装技术合成DNA水凝胶杂化材料。研究表明，由于Zr6MOFs中的Zr6节点与有机配体之间的配位键具备较高的热稳定性与化学稳定性，科学家们提出了一种简单而经济的锆基纳米MOF（NMOFs）材料的DNA介导表面工程策略。通过以上的策略，可以构建具有生物识别特性的DNA-NMOFs杂化材料，这类材料将成为药物载体、生物传感器、生物成像和肿瘤治疗等领域最具吸引力的材料之一。关键词：MOFs材料，DNA大分子，生物功能，水凝胶，表面工程

本课题以无机-金属框架（MOFs）和DNA生物大分子这两类非常受关注的材料作为原料粒子，凭借MOFs材料这一良好载体的表面可功能化的特点与DNA大分子的特异识别功能，来通过表面配位形成新型DNA-MOFs杂化材料，再利用DNA分子的自组装技术，制备一种具备生物识别功能的水凝胶复合材料。在前人研究的基础上，本课题拟采用PCN系列金属-有机框架Zr6MOFsPCN-224与DNA分子进行表面配位，目的在于合成一种具备生物识别功能的纳米复合水凝胶材料。在合成材料研究过程中，DNA的自组装与交联剂的合成也作为重点攻克的难题。希望通过本次研究，可以对以锆基MOFs材料作为原料粒子的DNA杂化水凝胶有更近一步的探索与发现。

1研究现状

1.1研究背景

水凝胶材料是具有与生物组织相似的机械轻度与水含量的三维网状结构胶体，随着对水凝胶的研究逐步深入，科学家们发现了水凝胶具备可功能化的特点。因为其与细胞外基质类似的结构特点，水凝胶在医学领域的应用逐渐广泛。近十年来，随着纳米技术以及生物医学的飞速发展，纳米复合水凝胶进入了科研领域的视野并引起了高度关注。纳米复合水凝胶是由原料粒子（包括无机纳米粒子、聚合纳米粒子等）与聚合物通过物理或化学作用形成的新型水凝胶。在本课题中，以无机MOF粒子作为原料粒子，与具备生物特异识别功能的大分子DNA在表面配位作用下，合成生物功能化DNA-NMOFs杂化材料。

目前，有关生物功能性分子负载的文献报告中，大部分载体（MOFs材料）对多数客体分子（DNA大分子）具有普适性，但欠缺对于孔道环境的精准设计和调控，故MOFs材料的作用并没有完全发挥出来。作为生物医学应用的先决条件，合成具备特定生物分子设别能力的生物相容性MOFs仍然是这一领域的巨大挑战。为了克服这一局限性，人们致力于开发新的修饰技术，用于MOFs的生物配体表面工程，以实现特定的分子识别。

1.2选题意义

本课题重点研究利用无机MOF粒子和DNA生物大分子合成具备生物功能的NMOFs-DNA纳米复合水凝胶杂化材料。科学家们报道了一种简单的策略，对基于卟啉的Zr6NMOFs的功能性DNA介导的表面工程，能够将生物识别功能赋予其表面。通过这种方法构建具有设计识别特性的DNA-NMOFs，用于靶向癌症成像和特异性免疫激活。

通过文献查阅与研究，科学家们选择了一种Zr6MOFs，PCN-224作为原料粒子来合成DNA-NMOFs杂化材料。PCN224NMOFs是一种以Zr6团簇为金属节点、卟啉为有机配体通过配位作用而组装形成的Zr6MOFs,具有良好的化学稳定性、生物相容性以及光学性质，因此选择它来实现DNA的表面功能化修饰。经实验结果表明，通过NMOFs表面的配位

化学可以有效地将功能性DNA固定在NMOFs的表面，形成DNA-NMOFs模型。通过实验结果表明，这个策略可以将不同的功能性DNA修饰到MOFs的表面，实现MOFs的表面功能化。

今后，该类材料的主要的研究方向，还是改善生物相容性、降低制备成本、扩展生物MOF及其负载药物的种类,使其应用到更多疾病的治疗上。

2金属-有机框架

2.1金属-有机框架概述

金属-有机框架（MOFs）是由有机配体与金属离子或者团簇通过配位作用而自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。该类材料具有高比表面积、特殊多孔性、可功能化孔空间以及可设计的骨架结构等独特的性质，具备了比传统材料更具开发性的潜力。近几年来，MOFs已经在气体存储、传感、药物输送以及催化等多个领域展现出巨大优势。

MOFs材料可以根据中心离子、配体类型与空间维度的不同而分成不同的种类。比较常见的金属-有机框架材料可分类为PCN系列材料、UIO系列材料、ZIF系列材料等，其中PCN与UIO系列材料均具备八面体的纳米孔笼结构，在空间上形成拓扑结构。近几年，Zr6O4(OH)4这一八面体单元受到广泛关注，以其作为原料粒子形成的Zr6MOFs材料具备稳定的化学性质。在这一前提之