https://doi.org/10.1002/adma.202503946

近日，首都医科大学宣武医院神经外科吴浩教授联合北京理工大学在生物材料类顶刊《Advanced Materials》（JCR分区Q1，IF：27.4）发表了题为“Advances in Biocompatible Metal-Organic Frameworks for Biomedical Applications”的综述性文章。首都医科大学宣武医院神经外科吴浩教授，东南大学生命科学与技术学院柴人杰教授和北京理工大学化学与化工学院王博教授为共同通讯作者。北京理工大学生命科学学院特别副研究员李喆、生命科学学院硕士研究生何明鸿、北京理工大学化学与化工学院特别副研究员王渊博和北京大学航空航天临床学院航天中心医院杨静博士为共同第一作者。该文章总结了几类生物相容性金属有机框架（MOFs）及其在生物医学应用方面的最新进展，并展望了该领域需要克服的挑战以及该材料在生物医学中的应用前景。

关键词：MOFs，生物相容性金属有机框架，Zn-MOFs，肿瘤治疗，神经修复；

MOFs是一类具有三维网络结构的多孔配位聚合物，由于具有孔隙率高、合成工艺简单、表面容易功能化、生物相容性显著等优点在生物医学上得到广泛应用，如肿瘤治疗、神经修复、伤口愈合、椎间融合器设计、药物精准靶向递送、生物传感等领域。根据 MOFs 的生物安全性，含铜（Cu）的 MOFs 可被视为高毒性；含铁（Fe）的 MOFs 可归类为有毒 MOFs；而含锌（Zn）的 MOFs 可归类为低毒性材料（图1）。

图1 MOFs的分类及应用

Zn-MOFs作为皮肤保湿剂广泛应用于皮肤病学，具有抗炎和抗菌作用。同时由于其低毒性、生物可降解性和化学稳定性等多功能特性，Zn-MOFs 被认为是作为递送系统制备纳米胶囊和控制药物释放的良好候选材料。根据结构差异，有机配体的变化会改变最终孔径，进而对其应用产生一定影响（图2）。

图2 Zn-MOFs的不同结构

Cu是一种参与多种生物过程的矿物质元素，包括呼吸、代谢和细胞信号传导。Cu离子具有很强的抗菌性能，并能上调血管内皮生长因子以促进血管生成。一些 Cu-MOFs 表现出优异的酶活性，使其在肿瘤治疗和生物传感方面具有竞争力。此外，Cu-MOF 具有优异的光热转换能力，在光热治疗（PTT）中具有一定的潜在应用价值。铜基MOFs材料典型且独特的结构特征。这些结构代表不同的拓扑构型：HKUST-1的立方孔结构形态更为规整，更适合作为载体材料；而Cu-Amp具有二维层状结构，在抗菌应用中可能表现更优（图3）。

图3 Cu-MOFs的不同结构

Fe是一种生物相容且生物安全的过渡金属。数百种蛋白质利用铁来执行多种细胞功能，包括线粒体呼吸、基因调控以及 DNA 合成或修复等生命过程。同时，由铁基材料制备的 MOFs 表现出优异的磁靶向和磁共振成像（MRI）应用。通过调整材料结构，Fe-MOFs 还可以实现主动靶向、综合诊断和治疗功能。铁基MOFs材料倾向于选用柔性配体（富马酸）或大环配体（TCPP）以增强动态响应性，其孔结构多为介孔（如MIL-100中2.5或2.9nm的孔径），更适合大分子负载（图4）。

图4 Fe-MOFs的不同结构

MOFs凭借其独特的结构和性能，在多个领域展现出巨大的应用潜力。MOFs的多孔结构具有高比表面积和可调节的孔径，可以为药物分子或生物分子提供大量的吸附位点和合适的存储空间，通过负载不同载体实现精确的功能性神经康复。如X射线触发式RuFe MOF的按需释放，可有效减少活性氧生成，清除自由基及活性氮物质，从而保护细胞免受氧化应激损伤。同时，通过抑制神经胶质细胞增殖和神经炎症反应，促进脊髓组织修复。而加入聚左旋乳酸的核壳结构MOF材料-SrCO3@ZIF-8/PLLA复合支架，可显著促进间充质干细胞的成骨分化，加速了缺损处的骨再生效率。

生物相容性材料也是推动神经脊柱脊髓外科发展的关键驱动力。传统材料（如钛合金、PEEK、生物陶瓷、胶原）已广泛应用，而新兴的MOFs材料（如Zn-MOFs, Cu-MOFs）凭借其超高负载能力、可调控的药物释放、固有的抗菌/抗氧化活性以及作为多功能支架材料的潜力，为该领域带来了新的机遇。它们在局部抗感染、抗炎防粘连、神经营养因子递送促进再生、以及构建智能神经修复支架等方面展现出独特优势。在脊柱融合术中的植入物（如椎间融合器、固定螺钉/棒涂层）、人工椎间盘、硬膜替代物、神经导管/支架材料方面也具有极大的应用潜力。然而，其长期生物安全性、降解行为控制、稳定性和临床转化仍是当前研究的重点和难点。随着材料科学、纳米技术和生物医学工程的交叉融合，Zn-MOFs、Cu-MOFs等先进生物相容性材料有望在未来为神经脊柱脊髓疾病的治疗提供更安全、更有效的解决方案。

然而，MOFs在实际应用中仍面临一些挑战，如可降解材料亟需开发、生物安全性有待提升、批量化制备技术仍需完善。未来研究方向将聚焦设计与合成新型MOFs、深入研究其在体作用机制、探索更经济的合成方法以及拓展其在生物医学领域的应用。MOFs作为一种新兴的多孔材料，凭借其独特的结构和优异性能，在生物医学领域正逐步走向成熟。随着研究的不断深入和技术的不断进步，MOFs将为生物医学的发展带来更多的突破，为人类健康事业做出重要贡献（图5）。

图5 MOFs未来研究方向展望

共同第一作者

李喆

北京理工大学生命科学学院

助理教授 特别副研究员

研究方向：干细胞命运调控、听力损失治疗设备、自供电生物医学系统、可降解电子设备以及芯片上的器官。主持国家自然科学基金青年基金项目一项，作为技术骨干参与多项国家级课题，以第一及共同第一作者发表论著16篇，ESI 高被引论文 3 篇，获批专利8项。

共同第一作者

何明鸿

北京理工大学生命科学学院2024级硕士研究生

研究方向：金属有机框架衍生复合材料及其在生物医学领域的应用。在SCI杂志上以第一及共同第一作者发表论著1篇。

共同第一作者

王渊博

北京理工大学化学与化工学院 特别副研究员

研究方向：多功能多孔材料的合成及其在生物医学领域的应用。主持国家自然科学基金青年项目1项。相关成果以第一作者（包括并列第一）发表在Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Nano，Adv.  Funct. Mater.等国际著名期刊。

共同第一作者

杨静

北京大学航空航天临床学院航天中心医院 神经内科副主任

研究方向：脑血管病、神经系统脱髓鞘疾病、中枢神经系统感染性疾病的诊治。作为分中心主要完成人参与2项国家多中心研究；作为负责人承担多项省部级课题，参与“国家十二五科技支撑计划脑卒中溶栓治疗专项研究PROMISE-CHINA项目”的研究。在国内外权威期刊发表论10余篇，参编《脑脊液细胞学》专著。

共同通讯作者

吴浩

首都医科大学宣武医院

神经外科副主任 主任医师

教授 博士生导师

毕业于吉林大学医学院(白求恩医科大学)，在凌锋教授指导下获得首都医科大学神经外科博士学位。2008年获得北京市科技新星奖，2022年获王忠诚中国神经外科医师学术成就奖。主要学术任职：世界华人医师协会/世界华人神经外科协会脊柱脊髓专业委员会常委；中国医师协会神经外科分会脊柱脊髓学组委员；中国神经脊柱学会常委兼秘书长；中国医学装备协会智能装备技术分会第二届委员；中华医学会神经外科分会脊柱脊髓学组委员；中华实验外科杂志编委；AO/ASIF国际内固定研究学会讲师；国际脊髓学会（ISCoS）终身会员；中国残疾人康复协会脊髓损伤康复专业委员会（国际脊髓损伤学会中国脊髓损伤学会）青年委员；中国研究型医院学会脊柱脊髓专业委员会副主委兼秘书长。

擅长脊柱退行性病变(颈椎、胸椎、腰椎疾病)；颅颈交接区畸形(寰枢椎脱位、颅底凹陷等);脊柱畸形(尤其是合并髓内肿瘤及脊髓畸形的先天性侧弯、老年人退变性脊柱侧弯)；椎管内肿瘤、髓内肿瘤、椎体肿瘤、椎体转移瘤;椎体骨折；脊髓拴系，脊髓空洞、小脑扁桃体下疝等脊柱脊髓疾病的治疗，完成脊柱手术万余台。

主持国家级课题2项，省部级课题4项、市局级课题1项，参与863、局级课题等多项课题，累计课题经费300余万元。目前已发表文章中第一作者或通讯作者发表SCI论文20余篇。出版学术专著：《神经外科学》第四版担任编者，《漫话脊柱》担任主编，《颅颈交界和颈椎外科手术图谱》担任主译，《脊柱显微外科系列教程》（1—6册）及《脊柱内固定图谱》第一版、第二版担任副主编，《神经脊柱外科学》担任副主译，《脊柱显微外科训练教程》担任编委，《脊髓损伤现状》担任主译。

【出诊时间：周一下午及夜间特需门诊】

共同通讯作者

柴人杰

东南大学生命健康高等研究院执行院长 生命科学与技术学院副院长 二级教授 博士生导师

长期致力于内耳毛细胞和神经元的再生和保护以及神经干细胞和内耳干细胞的转录调控机制的研究。主持科技部国家重点研发计划干细胞及转化研究重点专项，科技部青年973计划，国家自然科学基金委重点项目1项，重大集成项目1项，面上项目2项。近5年发表通讯作者SCI论文130篇，其中1篇论文入选Cell正刊年度最佳论文，13篇论文入选了ESI高被引论文。

共同通讯作者

王博

北京理工大学校党委常委副校长 教授 博士生导师

长期致力于内耳毛细胞和神经元的再生和保护以及神经干细胞和内耳干细胞的转录调控机制的研究。主持科技部国家重点研发计划干细胞及转化研究重点专项，科技部青年973计划，国家自然科学基金委重点项目1项，重大集成项目1项，面上项目2项。近5年发表通讯作者SCI论文130篇，其中1篇论文入选Cell正刊年度最佳论文，13篇论文入选了ESI高被引论文。