儿茶酚介导的中孔ZIF-67纳米反应器的协同组装：用于酶封装及自维持的NADH再生过程

《Applied Materials Today》：Catechol-mediated cooperative assembly of mesoporous ZIF-67 nanoreactors for enzyme encapsulation and self-sustaining NADH regeneration

　　多酚分子桥接剂介导的ZIF-67 hierarchically mesoporous材料合成及其酶催化应用。通过儿茶素与Pluronic surfactants的氢键及钴离子配位协同作用，成功制备结晶度高、 interconnected mesopores（9–20 nm）的ZIF-67，突破传统MOFs孔道尺寸限制。该材料实现维生素B12高效负载（容量>400 mg/g）和醇脱氢酶（ADH）稳定封装（活性保持率>85%），结合过氧化氢模拟酶活性，构建NADH再生原型系统，为多孔材料在生物催化中的协同功能开发提供新策略。

　　

Xue Zhang|Xianzhi Yang|Honghai Wang|Jian Yang|Ke Li|Yu Zhang

吉林化工职业技术学院石油化工技术学院，中国吉林132022

摘要

将介孔结构引入沸石咪唑框架（ZIFs）中，对大分子封装和生物催化具有显著优势，但其在合成上仍存在挑战。本文提出了一种受生物启发的策略，利用表儿茶素（epicatechin）与三嵌段共聚物协同组装介孔ZIF-67。表儿茶素作为分子桥梁，实现了双重作用：与聚氧乙烯（poly(ethylene oxide)的氢键作用稳定了胶束模板，而儿茶酚-钴（catechol-cobalt）的配位作用指导了框架的组装。这种方法制备出的ZIF-67具有相互连接的介孔（9–20纳米），避免了传统上介孔性与结晶性之间的矛盾。这种定制的介孔结构能够有效容纳大分子，这一点通过高容量的维生素B12装载得到了验证。封装在介孔中的醇脱氢酶（ADH）保持了其活性，并与框架中保留的过氧化物酶模拟功能协同作用。这种空间整合促进了原型系统中NADH的再生，其中酶的受限环境和纳米酶催化共同通过H₂O₂的活化实现了辅因子的循环利用。本研究建立了一种利用植物多酚作为媒介制备分级ZIFs的有效合成策略。除了使用常见表面活性剂制备介孔ZIFs外，酶与MOF的协同作用还为先进的辅因子管理系统提供了平台，展示了其在酶促生物传感和可持续生物转化方面的潜力。

引言

分级多孔结构通过整合不同长度尺度上的相互连接的孔隙，通过协同实现分子筛分、快速质量传输和高表面可及性，彻底改变了材料设计——这些特性对于催化、生物分离和药物递送等高级应用至关重要[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]]。金属有机框架（MOFs）以其结晶性、可调的孔隙性和多功能性而闻名，这种结构层次性为它们带来了巨大的价值[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。MOFs在酶固定化中的应用体现了这一潜力，同时也带来了关键挑战。作为载体，MOFs具有显著优势：其可调的孔隙性和超高的表面积使得高酶装载成为可能，而其受限的纳米环境显著增强了酶的稳定性，提高了酶对变性的抵抗力，并改善了其可重复使用性[18,19]。然而，大多数MOFs的主要是微孔结构，这严重限制了大分子的传输，成为其催化效率的主要瓶颈[20,21]。这一扩散障碍激发了广泛的研究努力，旨在创建既能保持保护性限制又能增强分子可及性的分级孔隙系统[[22], [23], [24]]。对于沸石咪唑框架（ZIFs）而言，这种结构限制尤为重要，因为它们由于其出色的水热稳定性和分子识别能力，已成为生物医学和催化应用中的明星MOF亚类[[25], [26], [27]]。尽管具有这些优势，传统ZIFs的密集微孔网络从根本上限制了它们在大分子过程中的应用，而介孔对于高效分子传输至关重要[28,29]。

目前设计ZIFs孔隙性的策略主要依赖于牺牲性硬模板（例如聚苯乙烯胶体（PS）），但制备低分子量PS模板的技术挑战往往导致形成的大孔（100–500纳米）之间缺乏连通性，从而影响了扩散动力学[[30], [31], [32]]。软模板方法的发展为制备介孔MOFs提供了有希望的替代方案。使用两亲嵌段共聚物已经成功构建了介孔Cu-BTC和UiO系列MOFs[[33], [34], [35], [36]]。然而，ZIFs的快速结晶动力学破坏了表面活性剂自组装的微妙平衡，导致模板在框架固化之前就被排出。最近使用定制嵌段共聚物（例如PS-b-PEO和PS-b-PVP-b-PEO）的尝试在生成ZIF介孔方面取得的成功有限，但这些专用模板存在可扩展性问题，缺乏普遍适用性[[37], [38], [39], [40]]。这一难题凸显了开发一种通用策略来调节传统表面活性剂与ZIF前体之间相互作用的关键需求。

大自然的分级生物材料设计提供了有力的灵感。植物来源的多酚含有丰富的酚羟基，表现出独特的双重界面亲和性[9,[41], [42], [43]]。去质子化的芳香羟基可以作为强效的金属螯合剂，与过渡金属离子形成稳定的路易斯酸碱复合物[44,45]，同时作为氢键供体与Pluronic表面活性剂中的聚氧乙烯（PEO）片段相互作用[46,47]。这种双重功能表明多酚可能协调表面活性剂与ZIF框架之间的协同组装——这是在分级MOF合成中尚未探索的假设。

结果与讨论

在本研究中，我们使用表儿茶素（EC）作为耦合剂，证明了这一概念。表儿茶素中的酚羟基可以与表面活性剂中的PEO片段形成氢键，并与钴离子发生强配位作用。通过调节EC与表面活性剂的比例，实现了氢键作用和配位作用之间的有效平衡，从而实现了ZIF的定向生长。

结论

总之，本研究表明表儿茶素作为一种有效的分子媒介，可以用于使用商业Pluronic表面活性剂合成分级ZIF-67。通过结合与PEO片段的氢键作用和与钴离子的竞争性配位作用，该方法解决了ZIF前体与表面活性剂之间的固有不兼容性问题，制备出了含有相互连接介孔的结晶框架。该方法适用于F68和F127两种模板。

CRediT作者贡献声明

Xue Zhang：撰写——初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析、数据整理。Xianzhi Yang：撰写——审稿与编辑、数据分析。Honghai Wang：撰写——审稿与编辑、数据分析。Jian Yang：撰写——审稿与编辑、数据分析。Ke Li：撰写——审稿与编辑、监督工作、资源调配、项目管理、资金筹集、概念构思。Yu Zhang：撰写——审稿与编辑。