金属有机框架（MOFs）由于其可调节的孔隙率、高表面积和催化特性，为药物递送和抗菌应用提供了灵活的平台。我们展示了在室温下环境友好的ZIF-8纳米复合材料的合成方法，这些复合材料既可以包含青霉素G，也可以不包含。这些材料通过XRD、拉曼光谱、FT-IR、DRS、SEM和氮吸附等手段进行了全面评估。结构分析证实了其高结晶度，在药物包封后框架的完整性得以保持，并且能够形成具有颗粒间介孔的分级孔隙结构。SEM图像显示了纳米级颗粒（50–100纳米），而DRS光谱在药物包封后出现了蓝移，这表明青霉素G与ZIF-8框架之间发生了相互作用。针对革兰氏阳性（枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性（大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌）细菌的抗菌评估显示，含有青霉素的ZIF-8（ZIF3）具有更优的抗菌效果，其CFU计数减少，MIC值也低于游离青霉素和氯霉素（阳性对照抗生素）。这些发现支持了基于ZIF-8的纳米复合材料作为有效的抗菌剂在伤口愈合、药物递送和公共卫生保护中应用的潜力。
细菌感染对健康构成了重大风险，是全球关注的重点问题。世界卫生组织（WHO）发布了2024年WHO细菌优先病原体列表（WHO BPPL），作为应对抗生素耐药性（AMR）的战略工具。2024年WHO BPPL包括了来自15个抗生素耐药细菌家族的24种病原体。它们的存在不仅表明了全球疾病负担的严重性，还涉及传播性、治疗选择有限、抗性模式的出现以及研究和开发管道的不足。现有药物的临床效果在不同国家和地区之间存在显著差异，这主要是由于耐药率和潜在机制的差异，这些差异受到经济和环境因素的影响。这种异质性影响了抗生素的社会价值，许多抗生素仍然容易受到交叉耐药性的影响。抗菌表面已成为通过主动、被动和混合机制解决生物膜相关感染的有效技术，从而提高了生物医学材料的有效性。已经研究了多种抗菌剂，包括酶、多糖、碳点、Ti3C2/g-C3N4复合材料、精油和黄酮类化合物。此外，先进材料的发展使得能够开发出智能的、响应刺激的抗菌治疗平台。尽管取得了这些进展，但仍存在重大挑战，因此继续研究先进和多功能材料对于开发更有效和可持续的抗菌治疗方法至关重要。
金属有机框架（MOFs）是具有巨大生物医学应用潜力的混合多孔材料，包括疾病诊断和治疗。它们已经与药物、MXenes和共价有机框架（COFs）结合使用，以提高其功能效果。由于它们广阔的表面积和可调节的孔隙率，MOFs具有出色的药物装载能力。它们的毒性受到物理化学参数的显著影响，包括组成、颗粒大小和形状、表面性质、生物降解性和结构稳定性。最近的研究集中在克服这些限制、降低毒性和提高治疗效果上。未来的研究必须包括全面的毒性评估和创新优化的MOF复合材料的开发，以确保安全性和治疗效果。除了医学潜力外，MOFs还表现出显著的抗菌特性。人们越来越关注能够实现靶向和有效抗菌作用的同时最小化对健康宿主细胞伤害的协同方法。通过形成细胞内活性氧（ROS），结合不受阻碍的水分渗透和卓越的防污效果，已经实现了细菌负荷的七倍减少。此外，含有MOFs的膜在去除二价和单价盐方面展示了超过97.5%的效率，并且在去除重金属方面超过了95%，突显了它们在水修复应用中的巨大潜力。MOFs的抗菌活性可以通过与其他纳米材料（如金纳米颗粒（Au NPs）和银纳米颗粒）的结合来增强。此外，MOFs可以整合到膜系统中，不仅提供强大的抗菌性能，还在水处理方面带来显著的好处。
MOFs可以封装各种分子，用于各种应用。有报道称它们可以封装纳米催化剂、金属纳米颗粒、单分子磁体、富勒烯、碳点、含磷和氮的离子液体、酶、大生物聚合物以及多种小分子。这些host@MOF系统结合了MOFs作为宿主基质的结构优势与封装物种的功能特性，产生了协同的guest@host@MOF结构。这些混合材料在各种应用中展现了显著的效果。开发了一种具有双重靶向的MOF平台，用于应对由大肠杆菌（E. coli）引起的肠道感染。这种双重靶向的抗菌策略结合了益生菌生物膜和针对E. coli的给药方式，代表了恢复人类和动物健康中肠道稳态的潜在且安全的治疗方法。基于锆的MOFs也被研究用于环丙沙星的封装和控制释放；然而，该研究没有评估其抗菌活性。
本文介绍了一种在常温条件下使用水作为环保溶剂，在MOF中封装抗生素（即青霉素G）的可持续且高效的一锅法。通过简单的合成方法，将药物整合到沸石咪唑框架（ZIF-8）中，突显了MOFs作为药物化合物有效转运体的潜力。使用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、漫反射光谱（DRS）和氮吸附-脱附分析对所得材料进行了表征，以验证结构完整性、封装情况和纹理特性。系统地评估了封装药物的框架的抗菌效果，并与未修饰的框架和游离药物进行了比较，作为对照。这些材料针对一系列代表性的革兰氏阳性和革兰氏阴性病原菌进行了评估，显示出改进的抗菌效果。这项工作的新颖之处在于首次在ZIF-8的合成过程中使用青霉素G作为结构导向剂，实现了绿色的室温制备路线。本研究的新颖之处在于将青霉素G封装在MOF结构中，从而得到了具有分级孔隙结构和保持框架完整性的纳米复合材料。封装技术显著提高了青霉素G的抗菌效果，这是由于从ZIF-8基质中调节释放和增强与细菌细胞的接触。这种方法展示了一种将抗生素直接整合到MOF合成中的新方式，可以进一步发展为可扩展的抗菌纳米材料和批量技术，应用于生物医学和公共卫生领域。这些发现突显了基于MOF的药物递送系统在增强抗菌应用方面的潜力，并需要进一步的全面探索。
材料
硝酸锌六水合物（Zn(NO3)2·6H2O）、2-甲基咪唑（Hmim）、青霉素G钾盐（苄基青霉素钾盐，PEN）和氢氧化钠（NaOH）从Sigma-Aldrich（德国）获得。所有化学品均为分析级，按收到时状态使用，无需进一步纯化。整个实验过程中使用去离子水作为溶剂。
ZIF-8材料的合成，无论是否装载药物，都采用了类似的程序。简要来说，向1.6 mL的硝酸锌溶液（0.84 M，1.3 mmol）中加入0.2 mL的NaOH溶液（0.100 M）。随后加入Hmim溶液（16 mL，3.00 M，48 mmol），并用去离子水将总体积调整至50 mL，然后在室温下搅拌1小时。通过离心（13,500 rpm，10分钟）收集得到的固体产物，用乙醇（2 × 20 mL）洗涤两次以去除未反应的物种，并在85 °C的烤箱中过夜干燥。未装载药物的样品被标记为ZIF。对于装载药物的样品，在加入Hmim之前先将青霉素G加入锌前体溶液中。使用了不同的药物与金属重量比（Zn2+：青霉素G = 1：0.5、1：1和1：2）来研究药物含量对封装效率和材料性质的影响。相应的产品分别标记为ZIF1、ZIF2和ZIF3。药物封装效率是通过UV-Vis光谱仪（Cary Eclipse 20）在322 nm处测量吸光度来评估的。
总吸光度表示封装前的初始药物溶液的吸光度，而Afree表示分离后含有游离（未封装）药物的上清液的吸光度。
表征
使用PANalytical X'Pert Pro衍射仪（Cu Kα1辐射）进行了XRD分析。表面形态进一步使用JEOL JSM-7000F仪器在5.0和15.0 kV的加速电压下进行了SEM检查。在77 K下获得了氮吸附-脱附等温线，在298 K下获得了二氧化碳吸附等温线，使用Micromeritics ASAP 2020表面面积分析仪进行。分析前，样品在110 °C下真空脱气3小时。总孔体积是根据相对压力（P/P0）为0.98的氮等温线确定的。孔径分布是使用BJH吸附dV/dlog(D)孔体积（Harkins和Jura：Faas校正）计算的。DRS光谱是用UV-2600i（SHIMADZU，日本）记录的。FT-IR光谱是在IRTracer-100（SHIMADZU，日本）上收集的，波数范围为4000–390 cm−1。拉曼光谱是使用连接到FTIR Vertex 70（Bruker）的Ram II收集的。
五种基于青霉素的配方（PEN、ZIF、ZIF1、ZIF2和ZIF3）的抗菌效果针对五种食源性病原菌进行了评估。细菌分离株在含有牛肉提取物（1%）、蛋白胨（1%）和NaCl（0.5%）的营养琼脂（NA）培养基上培养和维护。细菌接种物通过在含有牛肉提取物（1%）、蛋白胨（1%）和NaCl（0.5%）的100 mL蒸馏水（初始pH 6.8）中培养。培养物在30 °C下振荡条件下培养24小时（200 rpm）。细胞通过6000×g离心10分钟收集，用无菌盐水洗涤两次，并重新悬浮以获得大约每毫升105个菌落形成单位（CFU mL−1）的最终浓度。对于抗菌测试，向10 mL无菌营养肉汤中加入50 µg/mL的每种青霉素衍生物。氯霉素（CHL）用作阳性对照，而不含任何抗菌剂的肉汤用作阴性对照。每个试管接种1%（v/v）的标准细菌悬浮液，并在30 °C下培养48小时。通过测量660 nm处的光密度（OD660）监测细菌生长，并通过计算每毫升的菌落形成单位（CFU mL−1）来确定活菌数。每种配方的最小抑制浓度（MIC）是根据标准肉汤稀释方法确定的。在营养肉汤中准备了从0到25 µg/mL的系列浓度，并接种了大约105 CFU/mL的每种细菌菌株。在30 °C下培养48小时后，MIC被定义为抑制可见细菌生长的最低浓度，通过CFU计数确认。细菌数据以重复次数的平均值±标准偏差（SD）表示。使用单因素方差分析在<0.05（p值）的水平上检测了处理之间的显著差异。
材料合成和表征
图1显示了在常温条件下合成ZIF-8的程序，无论是否包含青霉素G。未修饰和装载药物的ZIF-8材料都是通过简单的水溶液方法生产的。在标准协议中，首先用温和的碱处理锌前体以开始合成中间体锌羟基硝酸盐纳米片，这些纳米片提供了层间间隙（9.8 Å，约1 nm），可以容纳客体分子，即青霉素G。之后，加入有机连接剂（2-甲基咪唑）以促进框架的形成，从而实现ZIF-8的结晶。所得粉末被分离出来，洗涤以去除未反应的物质，并干燥以获得最终产品。在装载药物的样品中，青霉素G在加入连接剂之前就被加入到反应混合物中，有助于抗生素整合到中间层结构中，为框架组装和封装做准备。使用了不同的药物与锌的比例来研究药物存在对材料性质的影响。未装载药物的材料被标记为ZIF，而装载药物的样品根据药物含量的增加分别被分类为ZIF1、ZIF2和ZIF3。这些材料使用XRD（图2a）、拉曼光谱（图2b）、FT-IR（图3a）、DRS（图3b）、SEM图像（图4）和氮吸附等温线（图5）进行了表征。图1展示了ZIF-8的合成和封装过程，上面部分显示了合成原理，下面部分显示了不同比例下的药物封装。图2展示了使用（a）XRD和（b）拉曼光谱对材料进行的表征。图3展示了合成材料的（a）FT-IR和（b）DRS光谱。图4展示了（a）氮吸附/脱附等温线和（b）BJH孔径分布。图5
(a和b) ZIF1以及(c和d) ZIF3的SEM图像，显示了不同的放大倍数。ZIF-8的XRD图谱在青霉素G包封前后（图2a）均表明了预期晶体框架的建立。测量的衍射图谱与ZIF-8的模拟图谱高度吻合，从而验证了所需钠长石型结构的形成。没有额外的衍射峰出现，表明在合成过程中没有生成次要晶体相或杂质，从而确认了合成材料的高相纯度。强而清晰的衍射峰进一步表明了原始样品和载药样品的高结晶性。在大约7.2°、10.3°、12.6°、14.7°、16.5°、18.2°、19.4°、21.9°、24.6°、25.9°、26.7°、29.9°、30.6°、32.5°、32.9°和34.8°的布拉格角（2θ）处识别出的独特反射与ZIF-8的标准晶体学平面相对应（图2a）。观察到的峰与之前发布的ZIF-8数据一致，验证了锌节点与Hmim连接器的成功组装。载有青霉素G的样品的XRD图谱保留了原始ZIF-8的主要衍射特征，表明在药物掺入后框架结构未发生改变。峰位的保持表明包封过程没有导致显著的晶体晶格变形或塌陷。偶尔可能会发生峰强度的微小波动或轻微的宽化，这可能是由于孔内的客体分子或药物引入导致的晶体尺寸和晶格应变的细微变化。XRD分析证实了一锅法包封过程保持了ZIF-8的结构完整性和结晶性，证明了其作为抗生素载体的有效性（图2a）。使用拉曼（图2b）和傅里叶变换红外（FT-IR）（图3a）光谱进一步检验了合成材料的结构连通性和化学完整性。原始ZIF-8和载有青霉素G的样品（ZIF1、ZIF2和ZIF3）的拉曼光谱显示出相似的谱带，表明在药物包封后基本框架结构得以保持（图2b）。未改变的ZIF-8显示出比载药变体更明显、更尖锐的拉曼峰，表明由于青霉素G的掺入导致结晶性略有下降或结构无序增加。在低波数处检测到的峰，大约在141和153 cm−1，归因于与Zn2+中心与咪唑啉连接器配位的晶格振动和Zn–N伸缩模式（图2b）。大约在683 cm−1处的峰对应于咪唑环的平面内弯曲振动，而接近1119 cm−1的特征归因于连接器的C–N伸缩模式。1475 cm−1处的峰主要对应于咪唑环的CN伸缩振动，而高频的2930和3134 cm−1峰分别归因于脂肪族和芳香族C–H伸缩振动。值得注意的是，载药样品中1475和3134 cm−1处的峰强度变化和轻微的宽化表明了青霉素G的功能基团与ZIF-8框架之间的相互作用，这意味着是包封在多孔结构内部而不是仅仅表面吸附。FT-IR光谱显示原始和载有青霉素G的ZIF-8样品具有相似的特征吸收带，从而证实了框架结构的保留（图3a）。大约在423 cm−1处的峰归因于Zn–N伸缩振动，从而确认了锌离子与咪唑啉连接器之间形成了配位键。667 cm−1处的峰属于咪唑环的弯曲振动，而752 cm−1处的峰与咪唑环的平面外弯曲有关。991 cm−1处的吸收归因于C–N伸缩，而1143 cm−1处的峰与平面内的环振动相关。1308和1412 cm−1处的峰分别对应于C–N和CN的伸缩，而1571 cm−1处的峰归因于咪唑啉框架内的芳香族CN伸缩。载药样品中1475和3134 cm−1处的峰强度变化和轻微的宽化表明了青霉素G的功能基团与ZIF-8框架之间的相互作用，这意味着是包封在多孔结构内部。FT-IR光谱进一步证实了一锅法包封过程保持了ZIF-8的结构完整性和结晶性，证实了其作为抗生素载体的有效性（图2a）。使用拉曼（图2b）和傅里叶变换红外（FT-IR）（图3a）光谱进一步检验了合成材料的结构连通性和化学完整性。原始ZIF-8和载有青霉素G的样品（ZIF1、ZIF2和ZIF3）的拉曼光谱显示出相似的谱带，表明在药物包封后基本框架结构得以保持（图2b）。未改变的ZIF-8显示出比载药变体更明显、更尖锐的拉曼峰，表明由于青霉素G的掺入导致结晶性略有下降或结构无序增加。在低波数处检测到的峰，大约在141和153 cm−1，归因于与Zn2+中心与咪唑啉连接器配位的晶格振动和Zn–N伸缩模式（图2b）。大约在683 cm−1处的峰对应于咪唑环的平面内弯曲振动，而接近1119 cm−1的特征归因于连接器的C–N伸缩模式。1475 cm−1处的峰主要对应于咪唑环的CN伸缩振动，而高频的2930和3134 cm−1峰分别归因于脂肪族和芳香族C–H伸缩振动。载药样品中1475和3134 cm−1处的峰强度变化和轻微的宽化表明了青霉素G的功能基团与ZIF-8框架之间的相互作用，这意味着是包封在多孔结构内部而不是仅仅表面吸附。原始和载有青霉素G的ZIF-8样品的FT-IR光谱具有相似的特征吸收带，从而证实了框架结构的保留（图3a）。大约在423 cm−1处的峰归因于Zn–N伸缩振动，从而确认了锌离子与咪唑啉连接器之间形成了配位键。667 cm−1处的峰属于咪唑环的弯曲振动，而752 cm−1处的峰与咪唑环的平面外弯曲有关。991 cm−1处的吸收归因于C–N伸缩，而1143 cm−1处的峰与平面内的环振动相关。1308和1412 cm−1处的峰分别对应于C–N和CN的伸缩，而1571 cm−1处的峰归因于咪唑啉框架内的芳香族CN伸缩。载药样品中1475和3134 cm−1处的峰强度变化和轻微的宽化表明了青霉素G的功能基团与ZIF-8框架之间的相互作用，这意味着是包封在多孔结构内部。没有出现表明不同晶体相的额外峰，表明青霉素G的包封没有干扰框架的发展。峰强度和清晰度的变化表明药物有效地掺入了孔内，同时保持了ZIF-8结构的整体连通性和完整性（图3a）。通过DRS分析了合成材料的光学特性，如图3b所示。未受污染的ZIF-8样品在紫外光谱中有一个明显的吸收峰，峰值大约在214 nm（图3b）。这种吸收是由于2-甲基咪唑啉连接器中的配体中心π → π*跃迁引起的。峰的位置与ZIF-8的宽带隙特性相符，证实了其固有的紫外响应特性（图3b）。青霉素G的包封显著改变了吸收谱型。载药样品（ZIF1、ZIF2和ZIF3）的主要吸收峰向大约205 nm发生了轻微的蓝移（图3b）。这种变化表明框架的局部电环境发生了变化，可能是由于青霉素G的功能基团（包括酰胺、羧酸和芳香基团）与ZIF-8内表面的相互作用所致。这种相互作用可能会影响框架内的电子密度分布，从而改变电子跃迁能量。光谱的位移和吸收强度的变化进一步证实了青霉素G在多孔结构中的整合。在可见光范围内没有新的宽吸收峰出现，表明ZIF-8的底层电子结构在包封后基本保持不变。DRS结果证实了框架的结构完整性，并表明青霉素G的负载改变了材料的光学特性。通过77 K下的氮吸附-脱附等温线（图4a）评估了合成材料的孔隙率和纹理特性，相关的孔径分布如图4b所示。表1总结了从几个分析模型获得的计算表面积、孔体积和孔径特性。原始ZIF-8具有典型的I型等温线，这是微孔材料的特征，表明其孔结构明确且表面积较大。通过Dubinin–Astakhov模型确定的高微孔表面积（1345 m2 g−1）和受限的微孔体积（0.575 cm3 g−1）证实了其微孔性的显著特征。ZIF-8的BET表面积为886 m2 g−1，Langmuir表面积显著更大，为1608 m2 g−1，与其钠长石型结构的广泛内表面特性相符。t-图分析进一步证实了其主要为微孔特性，显示出微孔面积为739 m2 g−1，外部表面积为146 m2 g−1。在青霉素G包封后（ZIF1、ZIF2和ZIF3），观察到表面积和孔体积显著减小。ZIF2的BET表面积降至635 m2 g−1，ZIF3的BET表面积降至679 m2 g−1，而通过t-图方法确定的微孔体积分别降至0.306 cm3 g−1和0.331 cm3 g−1。这种减少归因于青霉素分子部分占据了微孔，限制了内部腔体中的氮气可用性。限制微孔体积从ZIF的0.575 cm3 g−1降至载药样品的0.482–0.502 cm3 g−1，从而表明抗生素成功整合到了框架中。
从氮吸附等温线提取的数值的纹理分析
参数
材料
ZIF-1
ZIF-2
ZIF-3
Dubinin-Astakhov
微孔表面积（m2 g−1）
1345
1028
1089
限制微孔体积（cm3 g−1）
0.575
0.482
0.502
单点表面积在p/p° = 0.300290916（m2 g−1）
947
681
727
BET表面积（m2 g−1）
886
635
679
Langmuir表面积（m2 g−1）
1608
1101
1225
t-图微孔面积（m2 g−1）
739
554
599
t-图外部表面积（m2 g−1）
146
80
79
BJH吸附累积孔面积（m2 g−1）
1243
65
65
单点吸附总孔体积，孔径小于1255.755 Å，在p/p° = 0.984482264（cm3 g−1）
0.705
0.435
0.502
t-图微孔体积（cm3 g−1）
0.410
0.306
0.331
BET方法
微孔表面积（m2 g−1）
1345
1028
1089
限制微孔体积（cm3 g−1）
0.575
0.482
0.502
MP方法
2.6362 Å至19.6000 Å水力半径之间的孔累积表面积（m2 g−1）
1255
969
1047
使用BJH和Dollimore–Heal（D–H）方法进行的孔径研究进一步揭示了药物包封后的介孔贡献（图4b）。吸附和脱附的平均孔径宽度略有增加（例如，ZIF中的平均孔径宽度从31 Å增加到载药样品中的27–29 Å，并且分布扩展到更大的孔径）。数据表明形成了分级孔隙结构，可能是由于颗粒间的空隙、部分孔阻塞或药物整合过程中的结构重配置所致。从BJH和D–H模型获得的累积表面积和孔体积值表明，与纯ZIF-8相比，载药样品的介孔表面贡献减少，可能反映了包封后的聚集或堆积密度的变化（图4b）。此外，Freundlich和Dubinin–Astakhov参数表明载药材料的吸附能力（Qm × C值）降低，这与孔填充效应一致。氮吸附研究表明，纯ZIF-8是一种具有较大表面积和孔体积的高微孔材料。青霉素G的包封导致部分孔隙被占据，从而减少了微孔性和表面积，同时促进了分级孔结构的形成。这些修改显著促进了药物在多孔框架内的有效装载，同时保持了结构完整性和可访问的孔隙性。使用SEM分析了生成材料的形态和颗粒大小，如图5所示的ZIF1和ZIF3。SEM图像显示形成了形状相对均匀且分散性高的纳米级颗粒。估计的颗粒大小范围大约在50至100 nm之间，表明尽管进行了药物包封，仍然形成了纳米晶ZIF-8结构。颗粒表现为聚集的纳米晶体，形成了带有空隙的簇（颗粒间孔隙）。颗粒间的空隙促进了介孔的形成，这与通过氮吸附研究识别的分级孔特性一致。颗粒间介孔的存在可能增强了质量传递并促进了客体分子的扩散，这对药物释放应用是有益的。重要的是，在青霉素G整合后没有观察到明显的形态崩溃或结构变形，表明包封过程保持了整体颗粒形态，同时保留了纳米级尺寸。在常温下水条件下一步合成载有青霉素G的ZIF-8相比传统的MOF合成方法（包括溶剂热或多步骤后装载技术）具有显著优势。传统的溶剂热方法通常需要有机溶剂、高温和较长的反应时间，增加了成本、能源使用和环境影响。此外，这样的高温对于热敏感和化学敏感的抗生素来说是不合适的。青霉素G在pH范围为5.0–8.0的水环境中表现出优异的稳定性，特别是在接近中性的pH（约7）时，但在极端酸性或碱性条件以及高温下会迅速降解，因为β-内酰胺环会断裂。其稳定性随着温度的升高而显著降低；在温和条件下（例如，在冷却的水溶液中）或在聚合物材料存在下，它可以保持较长时间的稳定性。即使是像离子液体这样的绿色溶剂也对青霉素G的使用有限制。例如，青霉素G在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[Bmim]PF6）中的稳定性受到pH和温度的显著影响，随着pH从1.5增加到4.0和温度的降低而增强稳定性。在最佳条件下（pH 2.0和10 °C），青霉素G的半衰期约为17.7小时，根据一级动力学，在pH 2.0时鉴定出三种重排异构体，其结构在温度变化时保持不变。因此，保持青霉素G钠稳定性的理想条件需要使用柠檬酸盐缓冲溶液，缓冲剂与青霉素的摩尔比至少为0.75，pH大约为7.0。温度必须保持在25 °C或以下，以减少降解并保持抗生素的完整性。本研究中采用的温和的室温水基合成方法在MOF形成过程中保持了青霉素G的化学完整性，并避免了可能加速降解的条件。该单步程序消除了合成后的额外装载步骤，从而减少了处理时间和溶剂使用量，使得该方法在生态上更加可持续，并可能为未来抗菌纳米材料的合成提供可扩展性。该方法还提供了80-90%的封装效率。抗菌效果
评估了五种青霉素制剂（PEN、ZIF、ZIF1、ZIF2和ZIF3）在50 µg/mL浓度下对五种人类病原菌的抗菌效果：大肠杆菌（Escherichia coli）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）（图6）。结果与作为阳性对照的氯霉素（Chloramphenicol，CHL）以及作为阴性对照的未经处理的培养物进行了对比。所有青霉素衍生物制剂均表现出显著的抗菌活性，而对照样品显示出了最高的活菌数量。在所评估的材料中，ZIF3表现出最明显的抗菌活性，所有菌株的CFU水平显著降低。ZIF3将大肠杆菌的细菌数量降低到17.5 × 10^6 CFU/mL，肺炎克雷伯菌降至5.92 × 10^6 CFU/mL，铜绿假单胞菌降至14.96 × 10^6 CFU/mL，蜡样芽孢杆菌降至21.6 × 10^6 CFU/mL，金黄色葡萄球菌降至22.3 × 10^6 CFU/mL。这些结果明显低于游离青霉素的效果，表明封装后抗菌效果得到了提升。游离青霉素（PEN）表现出中等的抗菌效果，但低于ZIF3，在所有菌株中都显示出较高的残留CFU值。氯霉素表现出强烈的抗菌效果；然而，ZIF3在某些菌株上显示出相当或更强的抑制作用。中间制剂（ZIF、ZIF1和ZIF2）相对于对照组显著减少了细菌数量，随着药物装载量的增加，抗菌效果也得到了提升，这表明与封装效率相关的剂量依赖性改善。药物装载的ZIF材料增强抗菌效果可能归因于多个因素：（i）青霉素在多孔基质中的稳定性增加，（ii）持续或调节的释放特性，以及（iii）纳米结构载体与细菌细胞膜之间的相互作用增强。纳米级颗粒大小（50-100纳米）和层次孔隙结构可能进一步促进了与细菌膜的相互作用，从而增强了抗菌效果。图6
青霉素衍生物对五种人类病原菌（大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、蜡样芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌）的抗菌活性与标准抗菌剂氯霉素（CHL）和游离抗菌介质（对照）进行了比较。数据以平均值±标准差表示，p < 0.05。在0-25 µg/mL的浓度范围内评估了五种制剂的最低抑制浓度（MIC）（图7a-e）。随着处理浓度的增加，细菌生长抑制通常也增加，证实了抗菌效果的浓度依赖性。大多数分离株的MIC在5到10 µg/mL之间。基于ZIF的制剂相对于游离青霉素（在多个实例中为10 µg/mL）一致显示出较低的MIC值，表明封装后抗菌效果得到了增强。ZIF、ZIF1、ZIF2和ZIF3对大肠杆菌和肺炎克雷伯菌的MIC值为5 µg/mL，而游离青霉素则需要10 µg/mL才能达到相同的抑制效果。对于铜绿假单胞菌、蜡样芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌也观察到了类似的趋势，其中封装制剂在较低或相同的浓度下显示出有效的抑制作用。MIC结果验证了CFU的发现，表明将药物封装在ZIF-8框架内可以增强抗菌活性。在革兰氏阳性和革兰氏阴性病原体中观察到的统一效果强调了该纳米复合系统的广泛适用性。这些发现表明，基于ZIF的递送系统可以提高抗生素的效果，也许可以减少所需的剂量，并有助于应对细菌耐药性问题。图7
(a-e)：青霉素衍生物对五种人类病原菌（大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、蜡样芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌）的最低抑制浓度与游离抗菌介质（对照）进行了比较。数据以平均值±标准差表示，p < 0.05。基于MOF的系统的抗菌效果通过多种机制进行调节，包括ROS形成、离子释放、光催化活性和级联催化事件。已经报道了几种MOF表现出人工酶活性，称为MOFZyme。ZIF-8表现出酶活性，特别是过氧化物酶活性。Ou等人创建了一个GOx@MIL-53(Fe)@PVP纳米系统，其中葡萄糖通过原位嵌入的GOx转化为H2O2，然后通过MIL-53(Fe)的过氧化物酶样活性进一步转化为羟基自由基，分别对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率达到了99.7%和99.8%，同时在感染的鼠模型中促进了快速伤口愈合，对健康组织的伤害最小。尽管有这些令人鼓舞的结果，但MIL-53(Fe)的合成需要高温水热条件，并且可能使用有害化学物质，这可能会降低酶的性能，而合成后的分析表明GOx的装载量相对较少（5.9 wt%），主要集中在外部表面。像ZIF-8这样的锌-咪唑类MOF在模拟太阳照射下几乎可以完全失活大肠杆菌（>99.9999%），因为配体到金属的电荷转移（LMCT）过程在Zn2+中心产生光电子，促进了ROS的生成，突显了它们的固有光催化抗菌能力。将贵金属，特别是金，整合到ZIF-8（Au@ZIF-8）中，并将其注入可注射的水凝胶中，可以在可见光（>400 nm）下通过表面等离子体共振和肖特基结效应增强ROS的产生，从而显著提高对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果，并加速伤口愈合。预合成的MOF可以通过静电纺丝整合到聚合物纤维中，例如MXene/ZIF-8/聚乳酸膜，在808 nm照射下对大肠杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的抗菌效果超过了99.8%；然而，仍然存在挑战，包括MOF结晶度的降低和装载能力的限制。将金属纳米颗粒整合到MOF中是一种可行的策略：基于聚合物的Cu-MOF纳米片材掺入银纳米颗粒（polyCu-MOF@AgNPs）表现出显著的Ag+释放、调节的Cu2+释放、ROS诱导的细菌膜破坏以及代谢干扰，从而在体外和体内都提高了抗菌效果，并伴随着显著的胶原沉积，促进了伤口愈合。这些研究共同表明，基于MOF的抗菌系统可以利用ROS生成、催化反应、光催化、离子释放和结构相互作用来实现广谱抗菌效果。ZIF-8在结构稳定性、简单性和固有的光催化活性方面具有优势，而负载酶的Fe-MOF和贵金属复合材料提供了额外的级联或等离子体增强功能。
表2展示了基于ZIF的抗菌化合物的范围，详细介绍了它们的组成、制造技术、目标细菌、生物测定、效率和过程。大多数已发表的系统使用金属（Ce、Zn、Cu、Ag）、光敏剂（Ce6）、抗生素（Rifaximin、CUR）或酶（CAT），主要通过ROS形成、金属离子释放或酶活性发挥作用，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的效率从65%到100%不等（表2）。本研究介绍了青霉素G@ZIF-8纳米复合材料，它通过调节抗生素释放而不是金属毒性或活性氧物种，表现出卓越的广谱抗菌效果（MIC 5 µg/mL），对革兰氏阳性（蜡样芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性（大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌）细菌都有效。这种室温下水相的一锅合成方法提供了一种简单且环保的替代方案，优于之前报道的加热或多步骤技术，强调了其在可扩展和生物相容的MOF基抗菌应用中的潜力（表2）。青霉素G负载的ZIF-8材料也可以用于其他应用，例如提供紫外线防护和抗菌活性的防晒霜。
表2
基于ZIF的抗菌活性总结
MOFs
组成
合成
细胞
生物测定
效率
机制
参考文献
Ce-ZIF-8@Ce6, Ce-ZIF-8@PDA, Ce-ZIF-8@PDA@Ce6, ZIF-8@PDA@Ce6
Ce
在50°C下加热并搅拌1小时
金黄色葡萄球菌
MIC
200 µg/mL (ZIF-8)
ROS形成
75
Zn
在室温下搅拌4小时
100 µg/mL (Ce-ZIF-8)
Hmim
PDA
Ce6
ZIF-8@PDA
Zn
在60°C下搅拌和加热
金黄色葡萄球菌
ZOI
99%
Zn2+释放
76
Hmim
CFU
ZIF-L@Cotton
Zn
原位生长方法，搅拌3小时
大肠杆菌
ZOI
10.2 mm (E. coli)
Zn2+离子释放
77
Hmim
金黄色葡萄球菌
11.2 mm (S. aureus)
Cu@ZIF-L@Cotton
Cu
搅拌3小时
大肠杆菌
10.3 mm (E. coli)
Zn
在Cu溶液中浸泡3小时
金黄色葡萄球菌
12.9 mm (S. aureus)
R-ZnO@ZIF-8
Zn
搅拌2小时
金黄色葡萄球菌
CFU
80%
ROS形成
78
ZnO
Hmim
Rifaximin
ZIF-8
Zn
一锅合成
大肠杆菌
CFU
>99%
Zn2+离子释放
79
CUR
CAT@ZIF-8/AgNPs
Zn
微波，40°C，15分钟
大肠杆菌，金黄色葡萄球菌，铜绿假单胞菌
CFU
100%
Ag+离子释放
酶活性
80
Pencillin G@ZIF-8
Zn
室温
蜡样芽孢杆菌，金黄色葡萄球菌
MIC
5 µg/mL
Pencillin G释放
本研究
结论
本研究采用温和、环保的方法，在室温下使用水作为溶剂，制备了负载青霉素G的ZIF-8纳米复合材料。通过XRD、拉曼光谱、FT-IR、SEM、TEM、DRS和氮吸附测量等全面表征方法验证了在药物封装过程中ZIF-8的晶体结构得以保持。这些材料具有纳米级颗粒尺寸（50-100纳米）和层次孔隙结构，有利于有效的药物装载和传输。DRS数据显示青霉素G与ZIF-8框架之间有强烈的相互作用，而氮吸附分析表明从纯微孔结构转变为层次化的微-介孔结构，实现了药物的调节释放。抗菌评估显示，特别是ZIF3变体的青霉素封装ZIF-8对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的抗菌效果显著增强。这种纳米复合材料比游离青霉素和参考抗生素氯霉素更有效地减少了菌落形成单位和最低抑制浓度。卓越的抗菌效果是由于活性氧的产生、与细菌膜的纳米级相互作用以及多孔ZIF-8基质促进的药物扩散的共同作用。这些发现强调了负载青霉素的ZIF-8作为抗菌治疗和潜在伤口愈合应用的有前景的纳米平台。后续研究应集中在体外和体内生物相容性评估、全面的药物释放动力学以及长期稳定性和毒性评估上。这种方法也可以应用于其他抗生素和MOF系统，有助于创建可扩展的基于MOF的抗菌递送平台和先进的抗菌技术，用于生物医学和公共卫生目的。
作者声明没有利益冲突。数据可用性
所有数据都在手稿中呈现。如有合理要求，可以从作者处获得原始数据。参考文献
