随着环境问题和能源问题日益突出，新能源汽车成为世界各大汽车厂商及研发机构的研究热点，而其中燃料电池汽车以其高效率和近零排放被普遍认为具有广阔的发展前景。燃料电池常用的燃料是氢气，要想大规模发展燃料电池技术，就要大力发展低成本制H2的方法。如今，绝大多数的氢气制备是通过“甲烷水蒸气重整”的工艺，但面临着CO2温室气体释放，对环境不友好。而电解水制氢工艺过程简单，无碳排放污染，是有望取代“甲烷水蒸气重整”，成为制备氢燃料的下一代清洁方法。目前，电解水面临的最大问题是制氢成本。工业上电解水制氢成本是33-38元/千克，1kg氢气产生相同能量所对应的汽油成本是25-29元。因此，未来要想实现燃料电池技术取代内燃机，就必须大力发展高效廉价的催化剂来降低制氢成本。
酸性电解水的过电势主要来自于氧析出的阳极部分，而开发出高效廉价的酸性条件下的氧析出催化剂是所有电解水技术中最困难也是最有挑战性的，可以和“非Pt氧还原催化剂的开发”并称为氢能高效利用领域的两大圣杯。氧析出（OER）常用的商用催化剂是IrO2。与铱(Ir)（240-250元/克）相比，钌(Ru)（19.5-20.5元/克）地球储量更丰富，价格更廉价。然而，在强酸、强氧化性环境中，RuO2在高的工作电位下极易被氧化为RuO4，导致其失活。其中，Ru失活的最主要原因是RuO2中的晶格氧参与了产物氧气的析出。因此，开发出一种高活性和高稳定的Ru单原子催化剂从而避免OER反应过程中催化剂晶格氧参与，是解决上述问题最有潜力的途径。
中国科学技术大学教授吴宇恩领导的团队利用表面缺陷工程技术捕获和稳定单原子的方法成功制备了Ru单原子合金催化剂。首先，利用抗氧化能力和抗溶解能力强的Pt基合金为载体，通过酸刻蚀和电化学浸出的方法在合金表面制造出丰富的缺陷位用于稳定和捕获单原子Ru。进一步通过来自于Pt-skin壳体的压缩应力调控分散在金属载体上的单原子Ru的电子结构，优化Ru与含氧中间体的结合能力，从而使该Ru单原子合金催化剂在酸性OER中具有更好的活性、抗过氧化和抗溶解能力。在酸性OER中，该Ru单原子合金催化剂相对于商业Ru基催化剂的过电位降低了~30%，稳定性提高了~10倍。
中国科大教授李微雪团队为该工作提供了理论支持。通过密度泛函理论研究表明，Pt-skin壳的压缩应变调制了原子级分散的Ru的电子结构，优化了与氧中间体的成键强弱，得到了OER活性与合金基底晶格之间的火山曲线关系。电荷转移分析表明单原子Ru抗过氧化能力的提高主要来自于与其配位的PtCu合金，其金属性配位环境提供了丰富电子、阻止了活性组分Ru1的过渡氧化。
该工作为如何解决Ru基催化剂在酸性氧化性条件下不稳定这一难题提供了新的思路。研究成果以Engineering the electronic structure of single atom Ru sites via compressive strain boosts acidic water oxidation electrocatalysis为题，作为封面文章发表于国际期刊《自然-催化》（Nat. Cat. 2019, 10.1038/s41929-019-0246-2）。
该论文第一作者是博士么艳彩、博士后胡素磊和陈文星，通讯作者是李微雪、吴宇恩。论文第一单位是中国科大。该工作得到国家自然科学基金委、科技部、中组部、中科院、安徽省科委、中国科大领军人才计划等联合资助。
图1：氧析出和氧还原反应被称为氢能高效利用领域的两大圣杯。然而，在酸性氧析出运行环境中，不仅需要高过电位而且催化剂的稳定性很差，这就导致氧析出的动力学极其缓慢。下图：吴宇恩课题组创新性地制备了一种单原子Ru催化剂。在该单原子Ru的催化下，酸性氧析出仅需要较低过电位 (220 mV)，极大地加快了氧析出过程。/美术设计：崔劼
图2：《自然-催化》本期封面文章：酸性电解液的环境中，在外加电位作用下，水分子吸附到活性位点单原子Ru上，在单原子Ru的催化下，电解水产生氧气。
来源：中国科学技术大学
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赵彦利，师从2016年诺贝尔化学奖得主Sir Fraser Stoddart教授。新加坡南洋理工大学Lee Soo Ying讲席教授，化学系副主任及数理学院助理院长。兼任新加坡科技研究局材料与工程研究院首席科学家。于南开大学获得本科和理学博士学位，博士导师为刘育教授。随后在美国加州大学洛杉矶分校以及西北大学从事博士后研究。
现主要从事合成化学和材料科学前沿交叉领域的研究。研究兴趣集中于新型自聚集材料的设计和制备，及其在生物医学、催化和绿色能源等领域的应用开发。共发表SCI论文450余篇，H指数91。先后获得新加坡国家研究基金会Fellowship (2010)、《麻省理工学院技术评论》评选的杰出青年创新人物(新加坡2012)、亚太光化学学会青年科学家奖(2016)、美国化学会ACS Applied Materials & Interfaces青年研究员奖(2017)、新加坡国家研究基金会Investigatorship (2018)、科睿唯安高被引科学家(2018-2021)等荣誉和奖励。担任ACS Applied Nano Materials执行主编。
近日，来自新加坡南洋理工大学的赵彦利、华中科技大学刘国辉和米博斌教授团队对用于慢性伤口愈合的金属有机框架及其复合材料：从实验室到临床的相关研究进行了梳理。研究成果以“Metal–Organic Frameworks and Their Composites for Chronic Wound Healing: From Bench to Bedside”为题于8月1日发表在《Advanced Materials》上。
慢性伤口的特点是愈合过程延迟和失调。其发病率和社会经济损失越来越大，因此有必要在慢性伤口管理方面采用新方法。金属有机框架（MOFs）是一种创新型多孔配位聚合物，具有低毒性和高生物相容性。抗菌效果和促血管生成活性使这些纳米材料成为治疗慢性伤口的有前途材料。因此，本综述回顾了MOFs及其复合材料的结构-功能特性，并讨论了如何利用其多功能性和可定制性作为慢性伤口管理的临床疗法。
图1 基于MOF慢性伤口治疗的最新进展
随着MOFs和基于MOFs的复合材料出现，在伤口愈合领域取得长足进步，它们不仅是高效的递送载体，还具有内在促伤口愈合特性。在图1中，总结了近年来利用MOFs的功能性促进和增强慢性伤口修复的前沿策略。这些纳米材料具有独特的特性，能够直接促进伤口修复。通过利用其固有特性，MOFs积极参与愈合过程，刺激并加速受损组织再生。这些策略包括一系列利用MOFs优异特性的创新技术和应用。从药物的控释到生长因子靶向输送，MOFs提供了多功能平台，可根据特定治疗需求进行进一步改良。
1. 慢性创伤和治疗策略
造成伤口慢性化的因素有很多。从健康愈合的伤口转变为不愈合的慢性伤口（CWs）可能是由于病原体根除不彻底、持续感染、缺血、血管生成不足和局部缺氧造成的。鉴于病因多种多样，有效的治疗方案不足，开发一种具有广泛适用性的灵丹妙药十分紧迫。要解决这一难题，就必须全面了解与修复过程有关的病理生理过程。
1.1 伤口愈合及其分子机制
伤口愈合是一个复杂且高度协调的过程，需要经历四个相继且相互重叠的阶段（止血、炎症、组织形成和重塑）。血小板与暴露的内皮下胶原蛋白结合、交织和聚集，从而以纤维蛋白原为结合剂暂时封闭伤口缝隙。通过释放生长因子，如转化生长因子和肿瘤坏死因子α，以及细胞因子，如白细胞介素-1和IL-8，这种凝块有助于介导免疫细胞的趋化。因此，随后的炎症早期阶段的特点是白细胞，尤其是中性粒细胞和单核细胞的扩散。中性粒细胞的主要任务是通过吞噬坏死组织和细菌来预防感染，而单核细胞则转变为活化的巨噬细胞，具有双重角色：巨噬细胞除了扮演伤口清洁工和组织清创工的角色外，还能刺激免疫细胞进一步涌入，并调节成纤维细胞和内皮细胞的增殖。在肉芽组织形成的过程中，它们会分泌多种具有促坏死和血管生成作用的细胞因子。
1.2 慢性伤口愈合
慢性伤口并不遵循健康和持续修复阶段的模式。造成伤口慢性化的潜在因素多种多样，包括微生物污染、缺血和缺氧条件以及物理压力。这些潜在病因会过度刺激炎性体。在下游，自然微调的促炎和抗炎平衡发生变化，过多的促炎细胞释放出造成组织损伤的生物活性分子。
图2 慢性伤口愈合病理生理过程
1.3 当前治疗策略的局限性
迄今为止，针对化脓性伤口的治疗方法层出不穷。除了伤口清创和常用的手术敷料外，最近还提出了抗微生物肽、血管生成细胞因子、抗炎和抗氧化药物、表皮和真皮细胞植入、干细胞疗法、外泌体注射、生物材料等治疗方法。传统的敷料包括消毒吸水棉、纱布和绷带，常用于保持干燥状态和形成物理屏障。然而，这些敷料缺乏仿生皮肤性能、渗出吸收能力和促进增殖活性，限制伤口区域的闭合。此外，多种抗菌消炎活性分子和促进再生的生长因子可有效加速伤口愈合过程。虽然体细胞和干细胞移植是很有前景的治疗方法，但其存活率低、免疫原性差，影响其填补皮肤损伤的作用。此外，负压伤口疗法可通过改善血管生成和淋巴管生成等多种机制加速伤口愈合。尽管这些方法潜力巨大，但复杂制备程序和昂贵器械成本阻碍上述方法进展。研究发现MOFs可弥补传统生物材料的不足，从而为其进入伤口愈合领域铺平了道路。
1.4 基于MOF的慢性伤口疗法目前使用的各种动物模型
为更深入地了解CWs所涉及的复杂机制并探索潜在的治疗方法，研究人员在CW研究中使用了多种动物模型。有助于开发基于MOF的CW治疗方法（图3）。
图3 基于MOF的慢性伤口修复潜在治疗方法目前使用的动物模型
2. 用于加速慢性伤口愈合的MOF和MOF基复合材料
导致化脓性伤口形成的两个主要因素是局部灌注不足和多重耐药（MDR）感染。在局部持续感染的情况下，细菌会通过消耗氧气加剧组织缺氧。这种缺氧可能会导致组织（微）血管的破坏，并干扰伤口炎症环境。因此，控制伤口感染和改善伤口新生血管再生有助于加速慢性伤口的愈合过程。作为一种新型多孔纳米材料，MOFs可通过递送生物活性药物、释放抗菌金属离子、催化生物酶反应、介导光动力疗法（PDT）和光热疗法（PTT）发挥强大的抗菌和促血管生成功能。
2.1 MOF介导的慢性伤口修复药物输送
MOFs具有高比表面积、大孔隙率和良好的组织结构，是伤口愈合中理想的药物输送系统（DDS）。通过原位封装或共价键吸附，MOFs能够将药物或生物活性化合物包裹在骨架中，并逐渐释放出来，具有很高的生物相容性。
2.2 用于促进伤口修复的金属离子缓释剂
MOFs是一种重要的DDS，通过向介质中释放金属离子或配体而表现出抗菌和促进血管生成的活性。具体而言，MOF和MOF衍生复合材料中的抗菌金属离子可在降解过程中逐渐释放，从而提供抗菌功能。总之，与MOF配体的化学性质相比，MOF的表面积和尺寸等物理性质对抗菌效果的影响更大。
图4 MOF和MOF衍生复合材料可通过输送药物和活性分子促进伤口愈合
2.3 作为酶载体和纳米酶的MOFs可发挥抗菌作用并促进伤口愈合
一些天然酶如：超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）对防止细胞氧化损伤至关重要。SOD能够将超氧自由基转化为氧和H2O2，CAT则能进一步将H2O2催化为氧和水。MOFs是结晶多孔材料，具有可调节的比表面积，通常具有很强的生物相容性。基于其结构特性，MOFs可以保护封装的酶，使其在非自然条件下不被降解和破坏。因此，基于MOFs的酶递送策略有望使天然酶在生物医学领域得到广泛治疗应用。
2.4 用于慢性伤口光疗的MOFs
由于其结构和化学特性，最近有报道称MOFs是理想的光响应纳米材料（可防止光敏剂（PS）自淬灭和自聚集）。一般来说，杀菌是慢性伤口治疗的基石。在光诱导分解疗法中，这种抗菌效果依赖于光诱导激活PS。随后产生的细胞毒性ROS会对细胞成分造成损伤，并有针对性消灭细菌。
图5 MOF纳米酶和MOF-水凝胶复合材料的合成过程示意图
3. 基于MOF的纳米系统在慢性伤口处理中的新趋势
在合成之后，MOF通常会被粉碎或形成固体。这种一致性严重限制它们在慢性伤口修复中的直接应用。生物医学支架的广泛应用，让MOFs不在依赖于一致性。此外，在复杂的合成过程中引入金属杂原子所产生的毒性也引起了人们的关注。MNs具有微创和无痛给药的特点，是一种新兴的透皮给药系统。因此，MNs是将MOFs应用于目标部位的有利载体。将ZIF-8嵌入生物活性水凝胶中，构建一种可生物降解且具有生物相容性的MNs阵列。ZIF-8的粗糙表面可显著增加MOFs与细菌的接触面积，从而促进更强烈、更有力的杀菌靶向作用。总之，MOFs-MNs组合系统可将封装的MOFs持续释放到伤口部位，有效改善伤口愈合。
图6 用于改善糖尿病伤口愈合的MOF基MNs（MN-MOF-GO-Ag）贴片制备示意图
4. 总结与展望
总之，MOF和MOF衍生复合材料都具有一定的优势。基于MOF的多功能生物材料正为抗菌感染和慢性伤口愈合临床治疗方案铺平道路，虽然目前的研究主要集中在这些生物材料的生产和定制方面，但MOFs的价值已得到充分证明：MOFs（作为纳米酶）的强大催化功能可促进对慢性伤口氧化应激和免疫微环境的调节。此外，MOFs还可利用其逐渐降解的特性，有效促进伤口愈合和再生。不过，在成功应用于临床实践之前，还需要解决一系列尚未解决的问题。未来MOF和MOF衍生复合材料将有力的促进慢行伤口感染治疗策略的进步。
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