暨南大学周小平、李立华AM：可流动的“分子海绵”：多孔液体实现高效一氧化氮递送，加速烧伤愈合

近年来，多孔液体作为一种兼具永久孔隙与流动性的新兴材料，在气体吸附、催化与分离等领域展现出巨大潜力。然而，其合成仍面临成本高、可持续性差与规模化难度大等挑战，尤其是无需额外溶剂的第一型多孔液体的制备更为困难。金属-有机笼因其可调的空腔结构和表面功能化特性，成为构建该类材料的理想平台。

近日，暨南大学周小平教授、李立华教授成功开发了两种基于金属-咪唑笼的多孔离子液体，分别修饰有二甘醇与三甘醇链，在室温下呈液态。这两种液体笼状材料表现出远高于固态笼的一氧化氮吸附能力，其中性能最优者可捕获约8分子一氧化氮。在水相刺激下，它们能快速释放一氧化氮，有效杀灭大肠杆菌与金黄色葡萄球菌。为实现持续释放，研究人员进一步将笼体嵌入海藻酸钠水凝胶中，构建复合敷料，在体外展现出长效抗菌、促血管生成及抗炎功能。最终，负载一氧化氮的水凝胶薄膜在大鼠烧伤模型中显著加速创面愈合，验证了其作为一氧化氮递送平台的临床应用潜力。相关论文以“Metal-Imidazolate Cages as Porous Ionic Liquids: A Nitric Oxide Delivery Therapeutic Platform for Burn Wound Healing”为题，发表在

Advanced Materials

示意图1.展示了金属-咪唑笼作为多孔离子液体，通过吸附一氧化氮并嵌入水凝胶中，形成可用于烧伤伤口愈合的敷料系统。该系统在释放一氧化氮的过程中发挥抗菌、抗炎和促血管生成的多重作用，最终加速伤口愈合。

研究人员通过子组分自组装法，以4-甲基-5-咪唑甲醛、镍盐及不同链长的氨基聚乙二醇为原料，在克级规模上高效合成了两种液态金属-咪唑笼（笼1与笼2）。红外光谱与质谱分析证实了其结构与空腔的存在，核磁共振进一步揭示了亚胺键的形成。理论模拟显示，笼体呈十四核菱形十二面体结构，具有与气体分子尺寸匹配的窗口，利于一氧化氮的捕获。

图1 a) 笼1和笼2的子组分自组装过程；b) 笼1和笼2的红外光谱；c) 笼1在甲醇中的电喷雾电离质谱图；d) 笼2在甲醇中的电喷雾电离质谱图，插图为观测与模拟的同位素分布对比；e) 优化后的笼1分子结构；f) 优化后的笼2分子结构。颜色标识：Ni，绿色；N，蓝色；C，黄灰；O，红色；客体分子，浅青色。为清晰起见，省略了抗衡离子（NO₃⁻）和氢原子。

这两种笼在室温下均呈液态，流变学测试表明其损耗模量始终高于储能模量，差示扫描量热分析未发现一级相变，进一步确认了其液态行为。随着聚乙二醇链的增长，材料的玻璃化转变温度降低，流动性增强，说明链段运动能力的提升促进了材料的流动特性。

图2 a) 笼1–3在298 K下的状态；b) 笼1的振荡应变依赖性模量图；c) 笼1的模量随温度变化关系；d) 笼1的差示扫描量热曲线；e) 笼1和笼2冷却过程的差示扫描量热曲线。

在吸附与释放实验中，液态笼在一氧化氮氛围中吸附后，能在磷酸盐缓冲液中快速释放一氧化氮，释放量显著高于固态笼。机理研究表明，一氧化氮主要通过配位方式结合在笼内镍离子上，部分分子则以物理吸附方式存在于空腔中。由于液态笼分子离散分布，无晶体堆积限制，其吸附容量与速率均优于固态笼。

图3 a) 基于紫外-可见光谱的笼1–3及NO@1-3的Griess法检测代表性结果；b) NO@1、NO@2和NO@3各自释放的一氧化氮当量数；c) 加入DAF-2后笼1–3及NO@1-3的发射光谱；d) PTIO、笼1及NO@1加入PTIO后的电子顺磁共振谱；e) 笼1吸附与释放一氧化氮的示意图。数据以均值±标准差表示（n = 3）。

体外抗菌实验显示，负载一氧化氮的液态笼对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌均具有超过99%的杀菌率，活死染色与扫描电镜结果直观展示了其破坏细菌膜结构的能力。为实现长效释放，研究团队将笼1引入海藻酸钠水凝胶中，制备成微球与薄膜。水凝胶复合材料可实现长达三天的缓释一氧化氮，并持续抑制细菌生长。

图4 a) 与笼1–3及NO@1-3共培养后的细菌菌落照片；b) 大肠杆菌和 c) 金黄色葡萄球菌的细菌存活率；d) 与笼1–3及NO@1-3共培养后的代表性活死细菌染色照片；e) 与笼1和NO@1共培养后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的扫描电镜形态。数据以均值±标准差表示（n = 3）。

图5 a) 用于长效抗菌的NO@1@SA水凝胶微球的制备示意图；b) 基于紫外-可见光谱的NO@1@SA水凝胶微球Griess法检测结果（持续4天）；c) 菌落照片和 d) 与NO@1@SA水凝胶微球共培养2小时至3天后的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌存活率。数据以均值±标准差表示（n = 3）。

细胞实验证实，该水凝胶材料具有良好的生物相容性，并能促进人脐静脉内皮细胞迁移。基因表达分析显示，材料可通过释放一氧化氮上调血管内皮生长因子、转化生长因子-β与CD31等促血管生成因子，同时抑制肿瘤坏死因子-α、提升白细胞介素-10，表现出抗炎与促愈合双重功能。

图6 a) AO-EB染色和 b) 水凝胶微球处理后人脐静脉内皮细胞存活率；c) 细胞迁移照片和 d) 水凝胶微球处理后细胞迁移率；e) 水凝胶微球处理后细胞中VEGF、TGF-β和CD31基因的表达；f) 水凝胶微球处理的RAW264.7细胞中TNF-α和IL-10炎症基因的表达。数据以均值±标准差表示（*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, n = 3）。

在大鼠烧伤模型中，负载一氧化氮的水凝胶薄膜展现出卓越的愈合效果。与对照组相比，敷料覆盖的伤口在14天内几乎完全愈合，组织切片显示其炎症反应轻、肉芽组织生成快、胶原沉积多且排列有序。免疫荧光分析进一步证实，该材料能促进伤口部位CD31与α-SMA表达，加速新生血管形成，从而有效推动创面修复进程。

图7 a) 用于促进烧伤愈合的NO@1@SA水凝胶薄膜制备示意图；b) 不同时间点伤口愈合照片；c) 伤口愈合示意图；d) 伤口愈合率；e) 不同时间点伤口组织的H&E染色图片；f) 不同时间点伤口组织的Masson染色图片。数据以均值±标准差表示（*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, n = 5）。

图8 a) 第7天和 c) 第10天各组伤口组织中CD31（绿色）和α-SMA（红色）免疫荧光染色的代表性图像；b) 第7天和 d) 第10天各组伤口CD31和α-SMA免疫荧光染色的定量分析。细胞核用DAPI（蓝色）染色。数据以均值±标准差表示（*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, n = 5）。

该研究首次将金属-咪唑笼基多孔液体用于一氧化氮递送与烧伤治疗，不仅拓展了多孔液体在生物医学领域的应用边界，也为开发新型气体疗法平台提供了材料基础。这类可调控释放行为、兼具生物相容性与多功能的液体笼材料，未来在抗癌、组织工程等方向也具有广阔的应用前景。

来源：高分子科学前沿

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