Металл-органические каркасные структуры, MOF
Металл-органические каркасные структуры, MOF.
Металл-органические каркасные структуры, MOF – это пористые кристаллические материалы, в которых ионы металла связаны между собой с органическими молекулами. Внутри таких каркасных структур образуются достаточно крупные поры нанометрового размера, в которых могут находиться «гостевые» молекулы.
Металл-органические каркасные структуры:
MOF состоит из т.н. неорганических кластеров, которыми, как правило, выступают ионы металлов или иные полиядерные неорганические кластеры, и т.н. органических полифункциональных молекул (именуемых также лигандами или линкерами). Неорганические кластеры связаны с органическими полифункциональными молекулами сильными ковалентными связями.
Структуру MOF можно представить в виде конструкции, в узлах которой находятся неорганические кластеры, соединенные органическими молекулами подобно стержням.
На рисунке неорганические кластеры представлены шариками, а органические молекулы соединительными линиями.
MOF является новым классом пористых кристаллических органико-неорганических полимеров. Объем внутреннего пространства – пор MOF может иметь размер от нескольких нанометров до 50 нм и более.
MOF-5, как пример металл-органической каркасной структуры :
Синий тетраэдр представляет собой ZnO4 (Zn в середине, O в вершине тетраэдра). Неорганический кластер состоит из четырех тетраэдров, образующих большой куб. Вершины кубов соединены между собой линкером – терефталевой кислотой. Внутреннее пространство MOF-5 на рисунке представлено большим желтым шариком.
Свойства и преимущества металл-органических каркасных структур:
– высокая адсорбционная способность,
– высокая термическая и химическая устойчивость,
– MOF можно легко модифицировать на молекулярном уровне,
– способность к модификации. MOF могут обратимо изменять свою конфигурацию под действием света, температуры, давления, электрического поля или химической реакции. Например, структура некоторых MOF может обратимо превращаться из трехмерной пористой в двумерную слоистую. Изменение конфигурации позволяет MOF сначала захватывать молекулы, а затем – после изменения отдавать их,
– объем пор MOF можно контролировать за счет подбора органического компонента для синтеза MOF.
Металл-органический каркас и солнце помогут выжить в пустыне
Massachusetts Institute of Technology
Инженеры из Массачусетского технологического института предложили новое устройство для «вытягивания» воды из воздуха. В его основе лежит специально разработанный пористый металл-органический каркас, оно работает при низкой влажности и не требует никаких дополнительных источников энергии, кроме солнечной. Результаты опубликованы в журнале Science.
По данным на 2016 год, две трети населения Земли страдает от нехватки питьевой воды, многие регионы подвержены сезонным засухам. В атмосфере же, по некоторым оценкам, содержится до 13 тысяч кубометров пресной воды, и они могут быть использованы. Недостатки созданных до сих пор систем конденсации воды из воздуха состоят в том, что те требуют либо высокой влажности, либо высоких энергозатрат.
Группа инженеров поставила задачу разработать такое устройство, которое добывало бы воду при относительной влажности 20 процентов, как в самых засушливых регионах планеты, и работало бы исключительно на солнечной энергии. Решение проблемы стало возможным, когда ученым пришла в голову идея использовать металл-органические каркасы — соединения, которые состоят из металлов и органических лигандов. Они обладают очень высокой пористостью и способны впитать воду из воздуха широкого диапазона влажности, а кроме того, их легко модифицировать на молекулярном уровне, добиваясь необходимых свойств, — а потому идеально подходят для поставленной задачи.
Основным элементом разработанной системы является килограмм кристаллов металл-органического каркаса, MOF-801, спрессованный в тонкий (до пяти миллиметров) лист пористого металла. Лист располагается между абсорбером, поглощающим солнечное излучение, и пластиной конденсатора. Механизм помещается в камеру. Чтобы добыть воду, необходимо открыть камеру для впитывания влаги из воздуха, а затем закрыть ее для высвобождения воды, которое запускается под воздействием солнечного тепла, поглощаемого абсорбером. Конденсатор охлаждает пар до температуры насыщения, превращая его в воду.
В лабораторных условиях устройство небольшого размера производило по 250 миллилитров воды за каждый цикл, при относительной влажности 20 процентов. Авторы утверждают, что устройство за сутки способно собрать до трех литров воды на один килограмм металл-органического каркаса при относительной влажности 20 процентов. После серии лабораторных тестов, устройство было протестировано в естественных условиях, где его работа подтвердилась.
Прототип устройства, собирающего воду из атмосферы. Слева изображена схема работы устройства, справа показаны капли конденсированной воды, растущие вместе с температурой листа MOF-801.
Металлорганические каркасы (MOF — Metal Organic Framework) – что это такое?
Главная страница » Металлорганические каркасы (MOF — Metal Organic Framework) – что это такое?
Металлорганические каркасы (МОК) представлены органическо-неорганическими гибридными кристаллическими пористыми материалами, состоящими из отдельных ионов металлов (кластеров металлов), связанных политопными органическими лигандами. Металлорганические каркасы обеспечивают уникальное структурное разнообразие, в отличие от других пористых материалов. Благодаря этой особенности, достигается успешный контроль топологии, пористости и функциональности каркаса.
Кристаллические пористые материалы
Уникальная структура (изменчивая структура) МОК – это кристаллические пористые материалы, которые состоят, как из органических, так и неорганических компонентов в жесткой периодической сетевой структуре. Металлорганические каркасы не всегда доступны в обычных пористых материалах, например, чисто неорганических цеолитах.
Изготавливая металлорганические каркасы из различных атомов металла и органических линкеров, разработчикам доступно создавать материалы, которые избирательно поглощают определенные газы в специальные карманы внутри структуры. Поэтому металлорганические каркасы предлагают значительный потенциал для эффективной интеграции, а также исследований в различных областях применения датчиков.
Примерно такими могут выглядеть натурально так называемые металлорганические каркасные структуры – в частности, синтезированный продукт «Ti-MIL-101»
Металлорганические каркасы допускают произвольную сборку, подобно кубикам конструктора «Lego» или аналогичным. При этом налицо превосходство любых ранее известных классов материалов, с точки зрения свойств гибкости. Этот вид пористых материалов имеет внутренние поверхности, которые могут составлять до 4000 м 2 /г.
Применения металлорганических каркасов
Отмечается разработка многочисленных применений, когда используется клетчатая структура МОК, обладающая беспрецедентными внутренними поверхностями и лёгкой химической настройкой для захвата с последующим хранением газов и частиц.
Так, углеродистые материалы вызывают повышенный интерес к широкому применению, где используются функции:
Кроме того, некоторые типы датчиков также видятся одной из важных областей применения углеродистых материалов, поскольку такие приборы тесно связаны с медицинской сферой.
Ручная процедура приготовления МОК, характерная, как правило, для лабораторных испытаний. Ничего сложного и экстраординарного. Обычная химия
Существуют различные подходы к получению такого рода углеродных материалов. Однако среди готовых продуктов прямая карбонизация из органических материалов является наиболее часто используемым способом получения нанопористых углеродов. Эти материалы имеют определенные недостатки:
что сильно ограничивает возможности применения. Однако исследованиями обнаружено, что углеродные материалы, полученные на основе металлорганических каркасов, способны преодолевать эти ограничения.
Металлорганические каркасы и газовые датчики
Как правило, приборы, призванные обнаруживать следы определенного газа в составе воздушной атмосферы, представляют собой габаритные, дорогостоящие, энергоёмкие машины. Поэтому одним из многообещающих способов изготовления небольших, недорогих, энергетически эффективных газовых датчиков выступают пористые материалы, в частности, металлоорганические каркасы.
Изготавливая МОК из различных атомов металла и органических линкеров, разработчикам доступно создание материалов, избирательно поглощающих определённые газы в специальные карманы внутри структуры. Большая площадь поверхности МОК также является преимуществом для высокопроизводительных газовых датчиков.
Одним из практических примеров является тонкоплёночный специально изготовленный МОК, нанесённый на электрод, образующий электронный датчик, способный обнаружить следы газообразного диоксида серы.
Устройства эффективного захвата парниковых газов
Исследованиями определён конкретный материал металлорганического каркаса, демонстрирующий беспрецедентный механизм улавливания и выпуска диоксида углерода при малых изменениях температуры. Такая структура МОК с адсорбированным CO2 сильно напоминает фермент «RuBisCO», обнаруженный в растениях, способный улавливать CO2 из атмосферы с последующим превращением в питательные вещества.
Этим примером открывается путь для разработки более эффективных материалов, значительно снижающих общие затраты энергии на процессы улавливание углерода. Подобного рода материалы допустимо использовать под фильтрацию углерода на электростанциях, работающих на ископаемом топливе, а также непосредственно в атмосфере, смягчая парниковый эффект.
Ещё один пример, подтверждённый исследованиями – «Mg-MOF-74», металлорганический каркас с открытой металлической площадкой — наиболее перспективная стратегия фильтрации и хранения парниковых газов.
Удаление тяжелых металлов из воды с помощью МОК
Лабораторными исследованиями выполнена обработка металлорганической каркасной структуры, известной как «Fe-BTC». По сути, это допамин, полимеризованный в полидопамин, закрепляющий полимер внутри металлорганического каркаса. Конечный композит, названный «Fe-BTC», способен быстро избирательно удалять большое количество тяжелых металлов (свинец и ртуть) из проб воды. Фактически, композит способен удалить ртути в 1,6 раза больше своего веса, а свинца в 0,4 раза.
Схема создания композитов: 1 – МОК гибрид; 2 – ковалентная модификация; 3 – нековалентное воздействие; 4 – варианты использования МОК; 5 – на металлических узлах; 6 – на лиганде; 7 – инкапсуляцией; 8 – послойно; 9 – выращиванием на месте; 10 – жертвенный шаблон; 11 – предшественник; М – другие материалы или малые молекулы
Композит «Fe-BTC» также испытывался в растворах, токсичных на таком же уровне, как худшие пробы воды. Испытания показали, что этот МОК за считанные секунды может снизить концентрацию свинца до 2 частей на миллиард. — уровень, который Всемирной организацией здравоохранения признан пригодным для питьевой воды.
Металлорганические каркасы под фильтр ядерных отходов
На атомных электростанциях и в местах хранения отходов особенно сложными под фильтрацию являются радиоактивные органические йодиды. Эти соединения состоят из углеводородов и йода.
Химически модифицируя МОК центрами связывания, где есть химически активный азот, способный связываться с органическими йодидами, ученые создали металлорганические каркасные фильтрующие структуры. Такие устройства демонстрируют более высокую способность метилиодида (увеличенную практически в три раза), чем применяемый в настоящее время промышленный адсорбент в идентичных условиях.
Кроме того, такие металлорганические каркасы преимущественно служат хорошими абсорбентами при более низких температурах. Плюс, адсорбент МОК допустимо повторно использовать многократно без потери ёмкости, в отличие от других известных промышленных абсорбентов.
Металлорганические каркасы под вакцины
Вакцины с металлорганическими каркасами основаны на биосовместимой полимерной структуре, «замораживающей» белки внутри вакцин. Белки затем растворяются при попадании в кожу человека. Это нововведение может помочь медицинским работникам транспортировать и вводить вакцины в условиях отдалённых районов с ненадёжным электропитанием.
Вакцины МОК представлены кристаллами, содержащими антиген, подобный белку на поверхности вируса гриппа. Исключение составляет фактор заморозки внутри кристаллической решётки, поэтому антиген не может денатурировать или изменить форму.
Дендритные клетки, представленные нано-вакцинами, которые, в данном случае, выглядят подобно дискам, приготовленным из пористых частиц кремния, нагруженных иммунитетом
Конструктивные преимущества металлорганических каркасных структур позволяют работать лучше при комнатной температуре, чем искусственные оболочки, подобные таким, как кремнезём. В частности, пористая структура металлорганического каркаса позволяет функционировать как полупроницаемый барьер для транспортировки в составе вакцин биологического вещества — белка или антигена.
Имплантируемые питательные датчики МОК
Благодаря интеграции металлорганических каркасных структур с гибкой электроникой, становится возможным электрохимическое обнаружение питательных веществ без использования ферментов. Экспериментально исследователями уже продемонстрированы датчики МОК, допускающие использование для обнаружения следов:
которые являются питательными веществами, тесно связанными с процессами обмена веществ и кровообращения.
Эти датчики допустимо имплантировать, а поскольку металлорганические каркасы очень стабильны, новый метод может потенциально использоваться для проведения долгосрочного мониторинга биомолекул в разных местах одновременно.
Эти устройства реально использовать как инструмент, помогающий лучше понять различные жизненные процессы. В сочетании с большим количеством функций стимуляции и измерения, этот тип устройств удачно применим для контроля поведения животных, выявления основного механизма биологических процессов, мониторинга состояния здоровья и лечения заболеваний.
При помощи информации: NanoWerk
КРАТКИЙ БРИФИНГ
MOFs: наше будущее?
MOFs: наше будущее?
Структура ZIF-8
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Химия — одна из основных существующих наук. Достижения, которая привносит она, используются во многих других сферах деятельности. Из этой статьи вы узнаете о таких соединениях, как металлоорганические каркасы (metal-organic frameworks, MOFs), и о том, что интересного они могут дать человеку.
Конкурс «био/мол/текст»-2019
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2019.
Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.
Органика или неорганика?
Современная химическая наука поражает количеством разнообразных разделов, которые входят в ее состав. Но одними из основных разделов по-прежнему остаются неорганическая и органическая химии. Органическая химия — это, как известно, химия соединений углерода. А неорганическая химия — ветвь химии, изучающая другие элементы, кроме углерода, и их соединения. И кажется, что неорганика и органика — абсолютно разные разделы одной дисциплины; разве могут быть они связаны? Оказывается, могут! Существуют так называемые металлоорганические соединения, в которых присутствует связь металл-углерод. Химия данных соединений, соответственно, называется металлоорганической. В область рассмотрения металлоорганики часто также входят вещества, где углерод связан с бором, кремнием, мышьяком и фосфором. В связи с этим используется и более широкий термин — «элементоорганическая химия».
Металлоорганические соединения известны людям вот уже несколько веков. 27 августа 1758 года француз Луи Клоде Каде де Гассикур, фармацевт по профессии, представил в Королевскую академию наук статью о веществе, которое назвал дымящей жидкостью Кадэ. Как установил многим позже (аж через 80 лет) химик Бунзен, в этом веществе присутствует связь As—C. Само вещество представляет собой в основном (CH3As)2O, причудливо именуемое окисью какодила. Несколько позже — в первой половине XX века — мышьякорганические вещества стали активно использовать в качестве различных лекарственных средств (в силу малой токсичности самих веществ для человека), как тонизирующие и общеукрепляющие средства при болезнях, связанных с понижением уровня гемоглобина (например, туберкулеза или малярии). Другие мышьяксодержащие лекарства — сальварсан, неосальварсан, мафарсен — применяли в XX веке для лечения сифилиса (рис. 1 и 2) [1].
Рисунок 1. Структуры сальварсана (слева) и неосальварсана (справа)
Рисунок 2. Структура мафарсена
Так начинался путь металлорганической химии. Но что же мы наблюдаем сегодня? Чего достигли ученые, работая в этой области знаний? Давайте посмотрим.
Что такое MOFs и каковы их свойства?
Металлоорганика развивалась очень бурно, даже взрывообразно, после разработки мышьякорганических лекарств. Было синтезировано огромное количество металлорганических соединений, нашедших свое применение во многих областях: катализе и синтезе, биоанализе (например, в магнитно-резонансной томографии и иммуноанализе), в качестве препаратов против самых разнообразных болезней, в качестве биосенсоров и т.д. [1]. Огромным достижением данной области стало получение металлоорганических каркасов, которые по-английски называются metal-organic frameworks, или кратко — MOFs. У этих соединений есть и другие названия, к примеру, «металлорганические координационные полимеры». Слово «координационные» здесь указывает на то, что MOFs имеют координационные связи. Под координационной понимают связь, которая образуется тогда, когда атом некоторого соединения (называемого лигандом, от латинского слова ligare — связывать [2]) выступает в качестве донора пары электронов для металла, который принимает эти электроны (акцептор электронов) [3], [4]. Таким образом, становится ясно, что MOFs состоят из металлов, а точнее, из их ионов (или даже кластеров ионов), для которых был предложен термин «коннекторы», а также лигандов органического происхождения, называемых в данном случае также линкерами. Последние связаны друг с другом как раз посредством коннекторов. В качестве линкеров часто выступают остатки карбоновых кислот (карбоксилаты) или азотсодержащие гетероциклические соединения, часто имидазолат-ионы [5]. Получают же каркасные структуры взаимодействием кислот (или гетероциклов) с так называемыми неорганическими вторичными структурными блоками (secondary building units, SBU; рис. 3). Разнообразные блоки и линкеры представлены на рисунке 4.
Рисунок 3. Получение различных металлорганических каркасов. Условные обозначения: BDC — 1,4-бензолдикарбоновая кислота; BTC — 1,3,5-бензолтрикарбоновая кислота. Черным цветом обозначен атом углерода С; красным — О; белым — Н; зеленым — Zn; салатовым — F; фиолетовым — Cr; синим — Cu.
Рисунок 4. Неорганические вторичные структурные блоки (а) и органические линкеры (б). Черным окрашены атомы С; красным — О; зеленым — N; желтым — S; фиолетовым — P; светло-зеленым — Cl; голубые многогранники — ионы металлов.
Конечно, для синтеза MOFs, как, впрочем, и для синтеза многих других веществ, недостаточно просто смешать вещества. Требуются специальные условия. Методы синтеза изображены на рисунке 5. Как видим, здесь представлены такие методы получения металлорганических каркасов, как сольвотермальный (синтез под действием высокого давления, в кипящем растворителе), микроволновый (синтез по действием микроволнового излучения), сонохимический (синтез под действием ультразвука), механохимический, электрохимический и метод медленного выпаривания (не требует никаких излучений, электричества, механического воздействия). Для каждого способа на рисунке приведены время и температура [6].
Рисунок 5. Методы получения металлоорганических каркасов
В ходе этого синтеза получаются пористые каркасные структуры, как это и изображено на рисунке 3. А пористость MOFs — это одно из главнейших их свойств, которое определяет в том числе биомедицинское значение рассматриваемых соединений. Пористость каркасов очень высокая и может достигать 90%. Размеры и форму пор можно контролировать, выбирая различные линкеры. Еще, выбирая способ приготовления MOFs, мы можем контролировать размер (от десятых долей миллиметра до нескольких нанометров) и форму самих кристаллов каркасов, что, безусловно, важно для различных областей применения [5]. Иными словами, получение MOFs — воистину творческий процесс!
MOFs: как применить?
Только представьте: к сегодняшнему дню синтезировано уже более чем 20 000 металлорганических каркасов [7]! Такое внимание ученых привлекают большие возможности этих соединений. Каркасы применимы и в энергетике, и в катализе, но мы рассмотрим именно их биомедицинское значение.
Основные направления использования MOFs разнообразны: адресная доставка лекарств, диагностика, биосенсоры. Пока что по всем этим направлениям идут интенсивные исследования, но уже достигнуты значительные результаты [8]. Обратимся к адресной доставке лекарственных средств.
Существует достаточное количество различных наноразмерных носителей для лекарств: это и полимерные носители, и липосомы (они представляют собой микроскопические сферические частицы, состоящие из фосфолипидов, похожих на фосфолипиды клеточных мембран), и углеродные материалы, различные неорганические наночастицы (золото, серебро, платина, оксиды металлов, оксид кремния) [10]. Так зачем нам еще и MOF?
Если использовать полимерные частицы или липосомы, то они часто бывают биосовместимыми, однако для них не всегда характерно контролируемое высвобождение лекарства, при котором достигается наибольший терапевтический эффект. Проблема при использовании наночастиц в качестве носителей лекарств в том, что эти наночастицы могут слипаться — собираться в агрегаты, — а также накапливаться в органах, например, печени или легких, что приводит к токсическим эффектам. Можно использовать и цеолиты — неорганические пористые вещества. Но они не вмещают в себя достаточное количество препарата и высвобождают его очень медленно. Недостаток цеолитов и в том, что они токсичны по отношению к клеткам человеческого организма [5], [11].
Металлорганические каркасы, чтобы вступить в ряды наноразмерных носителей лекарственных препаратов, конечно, должны обладать рядом свойств: низкой токсичностью, биоразлагаемостью, биосовместимостью и устойчивостью по отношению к воде. И MOFs c необходимыми характеристиками уже получены! К примеру, MIL-100 и MIL-101 (рис. 6) — одни из перспективных MOFs благодаря устойчивости к водной среде и очень низкой токсичности. В 2006 году MIL-101, состоящий из ионов хрома (III) и терефталат-ионов, был использован для доставки противовоспалительного лекарственного средства ибупрофена. В этот MOF удалось поместить целых 1,4 г препарата на 1 г каркаса. Ибупрофен высвобождается из пор MIL-101 в течение шести дней, а значит, можно использовать эту комбинацию соединений в качестве препарата пролонгированного (то есть длительного) действия, что позволило бы поддерживать необходимую дозу ибупрофена в организме [5], [8].
Рисунок 6. Структуры MIL-100 и MIL-101
Впрочем, контролируемая доставка лекарства — непростая задача. Одно дело — поместить внутрь организма наноноситель с внедренным в него лекарством. Совсем другое — высвободить препарат в нужном месте. Но нет нерешаемых задач: ученые научились заставлять лекарства высвобождаться под действием какого-либо фактора. Общая схема подобной системы на основе MOF представлена на рис. 7. Видно, что MOF, нагруженный лекарством, проходит внутрь клетки. Затем на MOF действует какой-то фактор — внешний или внутренний. К внешним факторам относятся магнитное поле, температура, давление, свет, ионы. К внутренним — pH, концентрация АТФ, окислительно-восстановительный потенциал. После воздействия структура MOF меняется, и лекарство выходит из пор наружу.
Рисунок 7. Схематичное изображение факторзависимой системы для высвобождения лекарств на основе MOF
Известнейшим примером является система прокаинамид/bioMOF-1. Антиаритмический препарат прокаинамид обычно существует в виде гидрохлорида, то есть в подкисленной форме. В этой форме благодаря наличию аминогруппы, способной присоединять протон от кислоты, вещество находится в виде положительно заряженной частицы, которая может связываться внутри пор с отрицательно заряженным bioMOF-1. Высвобождение прокаинамида из пор каркаса было протестировано в часто используемом в биологических исследованиях натрий-фосфатном буферном растворе, содержащем хлориды натрия и калия, а также гидрофосфат натрия Na2HPO4 и дигидрофосфат калия KH2PO4. В этом растворе имеются положительные заряженные ионы натрия. Эти ионы проникают в поры каркаса и взаимодействуют с ним, при этом вытесняя катионы прокаинамида. Таким образом, система прокаинамид/bioMOF-1 является ион-чувствительной. Уже протестированы и другие ион-чувствительные системы на основе MOFs, включающих в свой состав ионы железа, циркония, индия и др. [11], [12].
Удивительно, но в поры металлоорганических каркасов можно загружать не только низкомолекулярные лекарственные средства, но и более крупные молекулы, такие как витамины вроде B12 [5] и даже белки. При этом в некоторых случаях можно поместить не одну большую молекулу. Вот один из примеров подобного рода: в каркас с названием ZIF-8 поместили две молекулы — молекулу инсулина и молекулу фермента глюкозооксидазы. Инсулин применяется для лечения диабета I типа. Когда ZIF-8 попадает в организм, глюкозооксидаза превращает глюкозу в глюконовую кислоту, тем самым понижая pH. При этом ZIF-8, будучи pH-чувствительным, разлагается, высвобождая инсулин, регулирующий уровень глюкозы в крови [11].
В общем, как мы видим, адресная доставка лекарств с помощью MOF — это широчайшая область, предоставляющая самые разнообразные возможности. Но могут ли сами MOF быть лекарствами? Оказывается, могут. Ранее в этой статье был упомянут bioMOF-1. Почему же он bio? А потому, что в его основе находится биосовместимый ион цинка. Многие металлорганические каркасы конструируют из биологически активных линкеров (таких как аминокислоты, белки и пептиды, азотистые основания, углеводы) и коннекторов (ионов металлов: кальция, магния, железа, натрия и др.), дабы добиться биосовместимости. Подобные MOFs часто называют bioMOFs. Пример такого bioMOF — это MOF-705, который может выступать в качестве лекарственного препарата. Этот металлорганический каркас состоит из ионов натрия и органического линкера на основе L-аспарагиновой кислоты, которая является одной из незаменимых аминокислот. Последний компонент очень важен, ведь он стимулирует фермент глутаматсинтетазу, обезвреживающий токсичный для нас свободный аммиак, превращая его в нетоксичную форму — глутамин. Также L-аспарагиновая кислота выполняет и некоторые другие полезные функции в нашем организме, например, участвует в переносе ионов магния и кальция. Поэтому действие MOF-705 основано на том, что, попадая в кислую среду желудка, он разлагается на лекарственные компоненты [5].
Но довольно о доставке лекарственных средств. Давайте посмотрим, каким еще образом можно использовать металлорганические каркасы.
Иные стороны MOFs
MOFs могут найти применение и в такой области, как биосенсорика: они могут быть биочипами [13]. То есть MOF в данном случае — это некий носитель, платформа, к которой «прицепляют» нуклеиновую кислоту. Далее эта нуклеиновая кислота связывается с другой нуклеиновой кислотой.
Вот конкретный пример: для выявления вируса Судана (вид вируса Эбола) в 2015 был предложен биочип на основе каркаса Сu-MOF, включающего в свой состав ионы меди. К каркасу за счет различных взаимодействий (электростатического взаимодействия и водородных связей) была прикреплена молекула однонитевой ДНК, комплементарная РНК вируса и меченая флуоресцентным красителем. После соединения ДНК с MOF флуоресценция, исходящая от метки, исчезала. Затем к полученному комплексу добавляли РНК вируса Судана, что приводило к высвобождению комплекса меченой ДНК и РНК, причем флуоресценция красителя возобновлялась. Схема, иллюстрирующая данный пример, приведена на рисунке 8.
Рисунок 8. Схема обнаружения РНК вируса Судана. Желтым обозначена флуоресцентная метка.
Подобным образом действуют и биочипы на основе других MOF для определения таких вирусов, как вирус иммунодефицита человека.
Кроме того, разработано уже и множество электрохимических биосенсоров. Основа такого сенсора — электрод. Поверхность электрода модифицируют, чтобы далее появилась возможность провести электрохимическую реакцию и поймать электрический сигнал, по которому можно судить о наличии анализируемого объекта в пробе. Электрический сигнал возникает вследствие окислительно-восстановительной реакции, а MOF может служить катализатором такой реакции. На рис. 9 как раз изображена схема одного из перспективных биосенсоров с MOF.
Рисунок 9. Применение MOF для создания электрохимического биосенсора. а — Синтез FeTCPP@MOF-SA. б — Схема действия электрохимического биосенсора на основе FeTCPP@MOF (CGO — твердый электролит с формулой Ce0,9Gd0,1O2–δ).
Поверхность стеклянного углеродного электрода (glassy carbon electrode, GCE) модифицируют, прикрепляя к ней ДНК-шпильку (hairpin DNA). Далее берут пробу, содержащую объект анализа — однонитевую ДНК (single-stranded DNA, ssDNA), комплементарную ДНК-шпильке. ДНК-шпилька изначально представляет собой «петлю». Но, комплементарно взаимодействуя с ssDNA, шпилька раскрывается. Таким образом, мы получаем так называемый SA-аптамер. Аптамер — это нуклеотидная последовательность, которая может взаимодействовать с определенной биомолекулой. В нашем случае — с белком стрептавидином (SA). Стрептавидин подводится к аптамеру особым образом: с помощью нужного MOF. Из рисунка 9 можно видеть, что данный MOF получают взаимодействием соли меди, ионы которой выступают в качестве коннекторов, и 1,3,5-бензолтрикарбоновой кислоты, являющейся линкером. При этом в каркас инкапсулируют вещество, содержащее порфириновую структуру (как в гемоглобине). Заключительный этап синтеза — закрепление молекул стрептавидина на поверхности MOF. Образуется сложное соединение FeTCPP@MOF-SA. Оно крепится на аптамере за счет нековалентного связывания со стрептавидином. Прикрепленный таким образом MOF имеет подход к поверхности электрода, где проходит электрохимическая реакция окисления о-фенилендиамина пероксидом водорода. MOF, как и указывалось ранее, является катализатором данной реакции. За счет этого окислительно-восстановительного процесса возникает измеряемый электрический сигнал [14].
Еще одна сфера применения MOFs — это методы диагностики: оптическая визуализация и разнообразные виды томографии, такие, как фотоакустическая, магнитно-резонансная, позитронно-эмиссионная. Все эти методы диагностики порой объединяют под термином «молекулярная визуализация».
Релаксация — упрощенно говоря, возврат ядра из возбужденного состояния с высокой энергией в обычное, с низкой.
Часто в качестве контрастных агентов используют соединения гадолиния. Существует множество коммерчески доступных агентов, часть из них представлена на рисунке 10.
Рисунок 10. Контрастные агенты на основе соединений гадолиния
Заключение
Исходя из всего вышесказанного, становится очевидным, что металлорганические каркасы — это весьма перспективные соединения. Увы, в рамках одной статьи вряд ли удастся рассказать о многочисленных возможностях, которые дают MOFs, и вряд ли можно представить невообразимое количество представленных в литературе примеров металлорганических каркасов. Как сложится их судьба? Какое еще применение найдут для них ученые? Окажется ли, что MOF — это наше будущее?
