一种锌金属有机骨架材料及其制备方法与流程

本发明属于生物材料领域，涉及一种锌金属有机骨架材料，特别是涉及一种对5-氟尿嘧啶药物分子有负载-缓释功能且低毒抗水稳定的锌金属有机骨架材料，它是金属有机骨架类药物负载-缓释体。

背景技术：

金属有机骨架材料(mofs)是一种利用有机配体与金属离子的金属-配体络合作用自组装形成的具有超分子微孔网络结构的类沸石(有机沸石类似物)材料，因其具有高比表面积和孔容、合成方便、骨架大小可变以及可根据目标要求进行化学修饰、结构丰富等优点，现已在气体吸附、催化、探测、光电材料、药物负载等领域受到人们的广泛关注。mofs材料的结构可调控、孔隙率高且孔道内存在的活性位点等特性为其广泛应用提供基础，近几年，该类材料对药物分子的高负载率和长缓释效应吸引了广大科学工作者研究。基于金属有机多孔材料的药物缓释系统中，控制药物释放的相互作用力主要来自范德华力、氢键、配位键，π-π堆积作用以及药物与材料孔道内阴阳离子之间的相互静电作用。在当今抗癌情形下，威胁人类生命健康最严重的恶性肿瘤90％以上至今仍缺乏高效、特异性强的药物。临床化学疗法(化疗)是治疗癌症的主要手段，5-氟尿嘧啶(5-fu)是临床常用的广谱抗癌药物，经常以静脉注射或静脉滴注给药，在体内停留时间仅5min，所以需要频繁给药。同时，由于该药选择性差，毒副作用大，血浆半衰期极其短暂。但是通过化学修饰或通过将5-fu包裹在不同的载体材料中来制备颗粒，形成一种新的药物缓释体系以减少其毒副作用已成为研究热点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供涉一种锌金属有机骨架材料，该骨架材料基于呋喃-2,5二羧酸对5-氟尿嘧啶药物分子有负载-缓释功能，对于5-氟尿嘧啶具有良好的负载率与缓释作用，且低毒、抗水稳定，可应用于药物载体。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种锌金属有机骨架材料，其特征至于：所述材料具有以下化学式：[(me2nh2)2zn3(fdc)4]n·dma，其中，fdc为呋喃-2,5二羧酸配体，dma为n,n-二甲基乙酰胺，(me2nh2)⁺为二甲胺阳离子；所述锌金属有机骨架的不对称重复结构单元中含有3个zn²⁺阳离子，4个fdc阴离子和1个dma配体；zn²⁺为四、五、六配位结构，zn1和zn3都是六配构型，与来自六个不同呋喃-2,5二羧酸配体上的羧基氧配位，形成一个八面体的几何构型；zn2是五配位构型，由来自五个不同的呋喃-2,5二羧酸配体上的羧基氧原子配位而成，采取扭曲的三角双锥球构型；zn4是四配位构型，由来自四个不同的呋喃-2,5二羧酸配体上的四个羧基氧原子配位而成，为四面体构型；所述fdc配体的连接方式是选自：μ4桥连，μ3桥连和μ3桥连-螯合；所述材料被连接成三维的多孔网络结构，其中包含一个大小沿b轴方向的微孔空洞。

根据本发明所述的锌金属有机骨架材料的进一步特征，所述材料的晶体属于三斜晶系，空间群为p-1，晶胞参数为：α＝113.869(2)°，β＝95.216(2)°，γ＝90.096(2)°；红外光谱数据(kbr)为：3416cm^-1，2982cm^-1，1612cm^-1，1565cm^-1，1520cm^-1，1358cm^-1，1218cm^-1，1154cm^-1，1047cm^-1，1025cm^-1，982cm^-1，879cm^-1，792cm^-1，722cm^-1，684cm^-1，638cm^-1，462cm^-1。

本发明的第二个方面还提供了所述的锌金属有机骨架材料的制备方法。

本发明所述的制备方法包括以下步骤：

(1)将等摩尔量的六水硝酸锌与呋喃-2,5二羧酸加入到n,n-二甲基乙酰胺和水混合溶液；

(2)将步骤1中物质加入到23ml聚四氟乙烯反应釜中，在自生压力下保持100℃恒温反应72小时，然后按照一定的速率降至室温；

(3)将步骤2得到的产物过滤，收集晶体，并用dma溶剂洗涤后干燥，得到所述的一种基于呋喃-2,5二羧酸对5-氟尿嘧啶药物分子有负载-缓释功能且低毒抗水稳定的锌金属有机骨架材料。

本发明所述的锌金属有机骨架材料具有以下优点：

(1)本发明产物原料来源广泛，容易获得；

(2)本发明产物合成方法的反应条件温和，纯度高，低毒，做到了绿色化学，无需惰性气体保护；

(3)本发明制备的锌金属有机骨架水中稳定性好，mtt毒性实验和斑马鱼毒性实验均显示低毒性；

(4)该zn(ii)金属有机骨架基于呋喃-2,5二羧酸对5-氟尿嘧啶药物分子有负载-缓释功能，表现出良好的药物负载和缓释作用，可应用于药物载体。

附图说明

图1为本发明的锌金属有机骨架材料的不对称单元的结构图；

图2为h2fdc羧酸配体的配位方式图；

图3为本发明的锌金属有机骨架材料的三维网络视图；

图4为本发明的锌金属有机骨架材料热重曲线图；

图5为本发明的锌金属有机骨架材料在不同ph浓度下的x-射线粉末衍射图；

图6为本发明的锌金属有机骨架材料在298k时水蒸气吸附-脱吸等温线

图7为本发明的锌金属有机骨架材料在77k下的n2吸-脱附等温线；

图8为本发明的锌金属有机骨架材料负载药物后缓释-时间图；

图9为本发明的锌金属有机骨架材料的n2吸附微孔尺寸图；

图10为24hmtt毒性检测材料对nih-3t3和hek-293细胞影响图；

图11为48hmtt毒性检测材料对nih-3t3和hek-293细胞影响图；

图12为不同浓度的材料对斑马鱼的毒性影响图。

具体实施方式

实施例1：本发明所述的锌金属有机骨架材料的制备

1、锌金属有机骨架材料的制备方法

制备方法包括以下步骤：

(1)将等摩尔量的六水硝酸锌(0.089g,0.3mmol)和呋喃-2,5二羧酸(0.047g,0.3mmol)加入到6mlh2o和6mldma溶剂中；

(2)将步骤1中物质加入到容积为23ml的聚四氟乙烯反应釜中，在自生压力下保持100℃恒温反应72小时，然后以5℃/h的速率降至室温；

(3)将步骤2中的混合物过滤，收集晶体，并用dma溶剂洗涤后干燥，获得无色晶体。

根据h2fdc计算其产率为55％。

2、锌金属有机骨架材料的表征

通过下述元素分析、ir光谱和x-射线单晶衍射分析鉴定，上述制备方法所得到的无色晶体的化学式为[(me2nh2)2zn3(fdc)4]n·dma。

(1)元素分析zn3c32h33n3o21：理论值：c,38.7；h,3.3；n,4.2.实验值:c,38.5；h,3.9；n,3.8.

(2)红外光谱(kbrpellet，cm^-1)：3416(s),2982(w),1612(vs),1565(s),1520(s),1358(vs),1218(m),1154(m),1047(m),1025(w),982(w),879(w),792(s),722(w),684(w),638(m),462(m)。

(3)x-射线单晶衍射：晶体学参数和部分键长如表1和表2所示。x-射线单晶衍射结果表明，上述zn(ii)金属有机骨架中的不对称重复结构单元中含有3个zn²⁺阳离子，4个fdc阴离子和1个dma配体。zn²⁺为四、五、六配位结构，zn1和zn3都是六配构型，与来自六个不同呋喃-2,5二羧酸配体上的羧基氧配位，形成一个八面体的几何构型；zn2是五配位构型，由来自五个不同的呋喃-2,5二羧酸配体上的羧基氧原子配位而成，采取扭曲的三角双锥球构型；zn4是四配位构型，由来自四个不同的呋喃-2,5二羧酸配体上的四个羧基氧原子配位而成，为四面体构型。fdc配体有三种连接方式，分别为μ4桥连，μ3桥连和μ3桥连-螯合。基于羧酸配体的连接方式，材料被连接成三维的多孔网络结构。三维网络结构中包含一个约为大小沿b轴方向的微孔空洞。

表1.[(me2nh2)2zn3(fdc)4]n·dma的晶体学参数

r＝∑(‖fo︱－︱fc‖)/∑︱fo︱.wr＝[∑w(fo²–fc²)²/∑w(fo)²]^1/2.

表2.[(me2nh2)2zn3(fdc)4]n·dma的部分键长键角

对称规则:i＝-x,-y,-z；iix,-1+y,z；iiix,1+y,1+z；iv1-x,-y,-z；v1-x,1-y,1-z；vi1+x,1+y,z.

实施例2：本发明所述的锌金属有机骨架材料的热稳定性和化学稳定性研究

采用实施例1得到的锌金属有机骨架材料进行热稳定性和化学稳定性的研究，具体研究方法如下所述：

1、锌金属有机骨架材料的热稳定研究

分别称取3mg所制备的锌金属有机骨架材料以及活化后(将样品置于150℃的真空干燥器中烘12小时即得活化产物)的锌金属有机骨架材料，以10℃/min的升温速率，测量其在25-800℃范围内的热稳定性。(图4)

实验结果如图4所示：锌金属有机骨架材料在250℃左右时，失去两电荷平衡[me2nh2]⁺阳离子的损失和一个dma分子，质量损失15.1％左右；在200-250℃内，失去一个配位水分子，质量损失27.28％；约360℃后，锌金属有机骨架材料的框架结构开始分解，最终变为金属氧化物zno。活化后的锌金属有机骨架材料在360℃内可稳定存在。

2、锌金属有机骨架材料的基于ph值的化学稳定性

将50mg合成的锌金属有机骨架材料浸在不同ph值的水溶液中，并在室温下搅拌3天。然后利用x-射线粉末衍射研究其稳定性。

实验结果如图5所示：zn-mof的主要峰与模拟结果非常匹配，说明锌金属有机骨架材料在ph值为5-9范围内可稳定存在；在强酸(ph＝2-3)和强碱(ph＝13-14)条件下不能稳定存在。

3、锌金属有机骨架材料的水中稳定性。

结合分子模拟和实验结果，研究了锌金属有机骨架材料在298k下对h2o的吸附性质。

实验结果如图6所示：锌金属有机骨架材料对水分子具有很低的吸附率(18.5wt％)，并且孔隙的填充要在相对较高的压力下(大约p/p0＝1)进行。因此，锌金属有机骨架材料中的孔为疏水孔隙，具有很好的水中稳定性。

实施例3：本发明所述的锌金属有机骨架材料的5-氟尿嘧啶的封装与缓释实验

采用实施例1得到的锌金属有机骨架材料进行5-氟尿嘧啶的封装与缓释的研究。具体研究方法如下所述：

1、锌金属有机骨架材料的n2-物理吸-脱附实验。

在77k下，分别测定锌金属有机骨架材料活化后、在水中浸泡3天后以及负载了5-氟尿嘧啶药物分子后的n2物理吸-脱附等温线。

n2吸附等温线显示出多微孔材料的i型特征(图7)，通过理论计算得到活化后的锌金属有机骨架材料的孔的比表面积为850m²g^-1。同时，锌金属有机骨架材料浸泡水中3天后其比表面积基本不变(820m²g^-1)，因此锌金属有机骨架材料的多孔结构在水中是稳定存在的，说明锌金属有机骨架材料框架中的疏水基团甲基距离镉金属中心很近，并且能够阻碍水分子对于zn-o和zn-n键的攻击，从而提高材料的抗水性。

n2吸附测量值显示，锌金属有机骨架材料的孔径大小为(图9)，其孔道尺寸(和)适合负载5-氟尿嘧啶(分子大小)。

2、锌金属有机骨架材料对5-氟尿嘧啶的负载与缓释实验。

(1)将25mg活化后(将样品置于150℃的真空干燥器中烘12小时即得活化产物)的5-氟尿嘧啶分散在25ml含有5-氟尿嘧啶的稀盐酸溶液中(ph＝5-6)，然后在室温下搅拌72h。

(2)离心分离(5600g/10min)5min，用稀盐酸溶液清洗，然后在25℃下真空干燥1天，获得最大封装5-氟尿嘧啶量的锌金属有机骨架材料。

(3)将实验重复4次。吸附到活化后的锌金属有机骨架材料孔洞中的5-氟尿嘧啶的量通过265nm下的紫外-可见吸收光谱测得。

5-氟尿嘧啶的封装效率通过以下等式计算获得：

(4)将25mg负载5-氟尿嘧啶的锌金属有机骨架材料放入小瓶中，加入2ml溶解介质(磷酸盐缓冲溶液(pbs)，ph＝7.4)。在37℃下不停搅拌该悬浮液。在每个时间点通过离心分离(5600g/10min)取1ml上清液，同时用等体积新鲜的pbs(37℃)替换。5-氟尿嘧啶的释放量通过265nm激发波长下的紫外-可见吸收光谱进行量化。

实验结果表明：负载了5-氟尿嘧啶后的锌金属有机骨架材料中的比表面积是55m²g^-1，锌金属有机骨架材料的比表面积降低93.5％，说明5-氟尿嘧啶几乎完全占满锌金属有机骨架材料的孔隙及孔道。当5-氟尿嘧啶与活化后的锌金属有机骨架材料的质量比为1:3，在25ml稀盐酸溶液中接触3天时，可达到对5-氟尿嘧啶的最佳封装效果，最大封装效率为32.9wt％，高于其他具有相似孔径的封装5-氟尿嘧啶的载体。

负载到锌金属有机骨架材料中的5-氟尿嘧啶的缓释过程如图8所示：在30h内5-fu的缓释过程没有发生“突释现象”，180h后药物释放率达到93％，释放率高于其他具有相似结果的金属有机骨架材料。这种缓慢释放的结果可能是由于5-氟尿嘧啶分子与孔隙的化学环境间的氢键相互作用的叠加导致的，这与分子模拟结果十分相似。表明锌金属有机骨架材料对5-氟尿嘧啶有很强的吸附作用。(图8)

表3.5-氟尿嘧啶有效包裹率受5-氟尿嘧啶与材料质量比的影响关系表

实施例4：本发明所述的锌金属有机骨架材料的毒性实验

采用实施例1得到的对5-氟尿嘧啶药物分子有负载-缓释功能且低毒抗水稳定的锌金属有机骨架材料进行毒性实验研究。具体研究方法如下所述：

1、采用实施例1得到锌金属有机骨架材料进行体外毒性实验。

使用96孔平底微量滴定板，采用mtt法，选取7种不同浓度(0，0.005，0.05，0.5，5，50和500μg/ml)，测定zn-mof对nih-3t3(小鼠骨髓成纤维细胞)，hek-293(研究外源基因的细胞株)的毒性影响。在温育24和48小时后，其敏感性确定为5mg/ml。

实验结果表明，活化后的锌金属有机骨架材料的浓度达到500μg/ml时，锌金属有机骨架材料对所选取的两种细胞没有毒性(细胞活性>80％)。

2、采用实施例1得到锌金属有机骨架材料进行斑马鱼活体毒性实验的研究。

(1)斑马鱼的培养与胚胎的选择

实验所用的荧光标记的成年斑马鱼由南方医科大学提供，用商业鱼食每天喂食两次，保持光照周期为日(14h)/夜(10h)。每晚产卵前，在5个孵化箱中分别放置2条雄性和一条雌性成年斑马鱼，并且在第二天早上打开灯促进产卵。受精卵用鱼培养基清洗两次，并在立体显微镜下检测。将正常生长并且达到囊胚阶段的胚胎进行分类和汇总，用于后续实验。

(2)制备2mg/ml的锌金属有机骨架材料悬浮液

将锌金属有机骨架材料放入养鱼的水(包含64.75mg/l,nahco3；5.75mg/l,kcl；123.25mg/l,mgso4·7h2o和294mg/l,cacl2·2h2o)中，并用超声波降解处理30min。在斑马鱼培养基中采用逐级稀释法制备一系列曝光悬浮液(10，20，40，80和160μg/ml等)，在最终工作溶液中的锌金属有机骨架材料聚集态的形态学异常行为通过透射式电子显微镜检测，并且使用imagej软件测量。

(3)检测不同浓度的锌金属有机骨架材料对斑马鱼的毒性

该实验对照组为培养液，实验组为不同浓度的zn-mof悬浮液(31.25,62.5,125,和250μg/ml)。将胚胎放入24孔培养板上，每孔一个胚胎，每个板上20个胚胎用于暴露实验，4个胚胎作为内部的鱼水控制。然后将培养板放入光照培养箱中，在28±1℃下按照14/10h(日/夜)的光照周期进行光照。锌金属有机骨架材料悬浮液在实验期间每个24h更新一次。在指定时间点，使用配有数码相机的立体显微镜进行观察(t＝24,48hpf)。终点用于评估锌金属有机骨架材料在斑马鱼发育过程中的毒性影响，包括胚胎或幼虫是否畸形。(图10，11)

实验结果表明：在24h和48h时，对照组中的斑马鱼形态正常，如具有明显的荧光标记的血管、脊柱，没有心包水肿等现象；实验组结果(如图12)，与对照组相比，没有引起明显的形态学变异，说明锌金属有机骨架材料对斑马鱼没有毒性。