季膦盐中心的阳离子型二茂铁COF用于响应性创面感染治疗

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摘要
山东第二医科大学孟庆慧、周宝龙、、程丹和武帆团队在 ACS AMI 发表研究，构建了一种含有季膦盐中心的阳离子型二茂铁共价有机框架 EBP-Fc-COF，用于响应性感染创面微环境治疗。使材料在 638 nm 红光下光热转换效率达到 59.23%，体内感染创面模型中，EBP-Fc-COF、H2O2 与激光联合治疗在 9 天内实现约 90% 的创面闭合。

研究背景
1. 行业问题
1) 已报道的智能抗菌材料尝试将光热、酶催化或电荷靶向等功能组合，但多数采用后修饰混合策略，缺乏对活性位点的精准控制，容易造成活性中心分布不均或功能相互干扰。
2) 现有 COF 基抗菌平台多依赖中性骨架与单一催化机制，难以在感染期和愈合期之间实现酶活性的 pH 切换，也缺少既能静电锚定细菌膜、又能稳定提供阳离子驱动的协同方案。
2. 本文创新
1) 本文以 P 中心作为唯一修饰位点，利用膦比吡啶氮更高的亲核性与更低电负性，通过 Menshutkin 反应实现化学选择性乙基化，得到永久季膦阳离子骨架 EBP-Fc-COF。
2) 该阳离子骨架同时整合 pH 切换双酶活性（POD/CAT-like）、高光热转换效率以及静电靶向功能，构建出可在空间锚定与时间响应上协同的微环境适应性治疗平台。

实验内容
1. 阳离子 EBP-Fc-COF 一锅串联合成
1) 单体合成：以 2-溴-6-甲基吡啶为原料，经正丁基锂去质子化后在 −78 °C 与 PCl3 反应，得到三(6-甲基-2-吡啶基)膦 P(6-Me-2-py)3，收率约 62%。
2) 将三(6-甲基-2-吡啶基)膦、溴乙烷与 1,1′-二茂铁二甲醛在 1,3,5-三甲苯/1,4-二氧六环混合溶剂中混合，加入三氟乙酸催化， 150 °C 恒温 72 h，同时进行 Knoevenagel 缩合和 P 中心 Menshutkin 季铵化反应。
3) 反应结束后过滤收集黑色沉淀，依次用 DCM、甲醇、DMF、THF 和三乙胺洗涤，120 °C 真空干燥得到 EBP-Fc-COF，收率 52%。
4) 对照品(五价氧化磷中心COF)的合成：以过氧叔丁醇氧化膦中心制备五价膦氧化物单体，再缩合得到对照材料 OBP-Fc-COF（收率 48%），对照品无法季磷盐化。
2. 体外抗菌与生物膜实验设计
1) 设置 8 组对照：Control、H2O2、EBP-Fc-COF、EBP-Fc-COF+H2O2、Laser、H2O2+Laser、EBP-Fc-COF+Laser、EBP-Fc-COF+H2O2+Laser。
2) 以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为模型，与各组悬液混合后加入 SYTO-9 和 PI 进行死活染色，37 °C 避光 15 min 后用倒置荧光显微镜观察。
3) 平板计数实验采用独立批次培养的菌液，每组至少独立重复 3 次，用于定量评估杀菌效率。

分析表征
1. 结构表征
1) FTIR 显示 EBP-Fc-COF 中醛基 C=O（1680 cm−1）几乎完全消失，并出现苯环振动 1600 cm−1 和环戊二烯基 C=C 1630 cm−1，说明醛基被消耗且二茂铁单元被共价引入框架。
2) 相比 BP-Fc-COF，EBP-Fc-COF 在 990.66 cm−1 出现 C–C 伸缩振动并在 622.33 cm−1 出现乙基膦特征峰；而 OBP-Fc-COF 在 1057.67 和 1264.02 cm−1 出现 P=O 伸缩振动，证实后修饰产生了不同结构。
3) FESEM 和 TEM 显示 EBP-Fc-COF 为均匀的球形形貌。
3. 酶模拟与光热性能表征
1) 以 TMB 为显色底物，在 pH 1.5–6.5 范围内检测 654 nm 处特征吸收，评估 POD-like 活性；通过 H2O2 分解产氧实验评估 CAT-like 活性，证明 pH 切换行为。
2) 采用 638 nm 激光（1.5 W/cm2）和 FLIR ETS320 红外热像仪实时监测温度变化，计算光热转换效率 η = 59.23%。
3) 通过溶血实验（As 与阴性 PBS 对照 An、阳性蒸馏水对照 Ap 比较）评估血液相容性。

机理分析
1. P 中心选择性季铵化机制
1) 膦中心相比吡啶氮具有更高亲核性和更低电负性，因而在 Knoevenagel 缩合同步进行时，溴乙烷只进攻 P 中心而几乎不与吡啶氮反应，得到以季膦为主的永久阳离子骨架。
2) 与五价膦氧化物路径（OBP-Fc-COF 出现 P=O）相比，Menshutkin 路径保留了三价膦的氧化还原活性并额外引入正电荷，使骨架既具备阳离子靶向能力又保留后续酶催化潜能。

总结
1. 本文通过 P 中心位点特异性季铵化策略，构建了阳离子型二茂铁 COF EBP-Fc-COF，单一框架同时实现 pH 切换双酶活性（POD/CAT-like）、高效光热转换和静电靶向。
2. 在感染创面模型中，材料、H2O2 与红光联合在 9 天内实现约 90% 创面闭合，初步的聚丙烯酰胺基水凝胶配方探索也显示出良好的生物相容性、柔韧性和光热稳定性。
3. 适用边界方面，水凝胶配方仅作为概念验证，体外降解和正式安全性评价尚需独立验证；该策略为微环境响应型 COF 智能平台设计提供了范例，潜在可推广至其他需要时空协同抗菌与组织修复的场景。

文章标题：Site-Specific Engineered Cationic Ferrocene COF with pH-Switchable Dual Enzyme Activities for Infected Wound Care
文章作者：Liu, Yijun、Yu, Haoming、Yu, Ziying、Bian, Weiwei、Yu, Xuelan、Song, Qi、Zhang, Decai、Chi, Yuhua、Meng, Qinghui、Zhou, Baolong、Cheng, Dan、Wu, Fan
DOI：10.1021/acsami.6c17648
文章链接：https://pubs.acs.org/aamick/article/doi/10.1021/acsami.6c17648

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山东第二医科大学孟庆慧、周宝龙、、程丹和武帆团队在 ACS AMI 发表研究，构建了一种含有季膦盐中心的阳离子型二茂铁共价有机框架 EBP-Fc-COF，用于响应性感染创面微环境治疗。