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癌症仍然是威脅公共健康的最重要疾病。目前，許多類型的研究都集中在創新治療模式上，以克服傳統化療、放療和手術的弊端，從而提高癌症患者的生活質量。與光動力療法（PDT）類似，聲動力療法（SDT）是利用超聲（US）激發聲敏劑在腫瘤部位產生活性氧（ROS），從而達到治療目的。但不同的是，超聲穿透能力更強，可以實現對更深層次腫瘤的治療。因此，SDT因其無創性和實用性正在成為一種創新的抗癌治療模式。

日前，中國科學院長春應用化學研究所陳學思院士、田華雨研究員利用新的納米級COF製備策略開發了一種共價有機框架（COF）聲敏劑。該策略使用基於亞胺交換反應的分子蝕刻將體COF蝕刻成納米顆粒，並且對基於亞胺鍵的COF具有普遍適用性。其中，規則的COF結構可以防止卟啉分子聚集引起的聲動力性能損失，提高卟啉單元的化學穩定性。此外，Fe3+與COF的配位使納米顆粒具有化學動力學治療（CDT）性能和穀胱甘肽（GSH）消耗能力。因此，增強型SDT與α-PD-L1抗體的結合取得了良好的抗腫瘤效果。該創新的納米COF聲敏劑製備策略為臨床抗腫瘤治療提供了新途徑。該工作以「Etching Bulk COFs into Nanoparticles of Uniform and Controllable Size by the Molecular Exchange Etching Method for Sonodynamic and Immune Combination Antitumor Therapy」發表在《Advanced Materials》。

圖1. PgP@Fe-COF NPs的製備與應用

PgP@Fe-COF NPs的製備及表徵

研究者首先利用傳統的溶劑熱法製備了具有卟啉分子的P-COF材料，該材料呈塊狀。然後將散裝P-COF材料置於不同的溶劑中並用超聲波處理30 min（圖2）。但是通過該工藝難以將塊狀P-COF分散成納米級P-COF（圖2a）。令人驚訝的是，當苯胺在超聲處理的同時添加到不同的溶劑體系中時，塊狀P-COF可以在30 min內輕鬆分散成微米或納米級顆粒（圖2b）。在添加0.2、0.1、0.05和0.025當量的苯胺後，可以製備大約11 nm、22 nm、65 nm和100 nm的 P-COF NPs（圖2c）。接下來，研究者使用0.025當量苯胺蝕刻的P-COF NPs來配位Fe3+以製備Fe-COF NPs。在約1000 cm-1處的對稱Fe-N拉伸證明了Fe3+與卟啉的配位（圖2d）。氮吸附等溫線證明在蝕刻和Fe3+配位後，P-COF NPs和Fe-COF NPs仍然具有較大的BET（圖2e）。為了增加在生理環境中的穩定性，P-COF NPs和Fe-COF NPs通過靜電相互作用塗覆PLG-g-mPEG共聚物，其中PLG-g-mPEG@P-COF NPs（縮寫為PgP@P-COF NPs）和PLG-g-mPEG@Fe-COF NPs（縮寫為PgP@Fe-COF NPs）的粒徑約為160 nm（圖2f）。

圖2. COF納米粒子的製備與表徵

PpIX、PgP@P-COF NPs和PgP@Fe-COF NPs在沒有US處理的情況下沒有顯示出ROS的產生能力。經超聲處理後，上述三種材料均能顯著降低DPBF的吸收強度，證明它們均具有聲動力學性能。然後，研究者分別測試了PpIX、PgP@P-COF NPs和PgP@Fe-COF NPs在US下的穩定性（圖3b-d）。結果表明，照射4 min後，PpIX的峰值吸光度明顯下降，而PgP@P-COF NPs和PgP@Fe-COF NPs的吸光度變化可以忽略不計，說明COF NPs具有極高的US穩定性（圖3e）。同時，PgP@Fe-COF NPs和H2O2單獨存在時都沒有明顯的吸光度，而PgP@Fe-COF NPs和H2O2同時存在時，在652nm處有明顯的吸光度。相比之下，PgP@P-COF NPs不具有Fenton-like性質（圖3f）。這些結果表明PgP@Fe-COF NPs可用於CDT，產生的•OH可進一步增加ROS水平。此外，在PgP@Fe-COF NPs存在下，隨着時間的增加，GSH水平明顯下降。而PgP@P-COF NPs沒有表現出明顯的穀胱甘肽消耗能力（圖3h）。

圖3. PgP@Fe-COF NPs的聲學、US穩定性、化學動力學和穀胱甘肽消耗性能

PgP@Fe-COF NPs的體外增強SDT

研究者首先評估了PgP@Fe-COF NPs消耗細胞內GSH的能力。與對照組和 PgP@P-COF NPs組相比，用PgP@Fe-COF NPs處理的4T1細胞顯示出顯著的細胞內GSH消耗。GSH的消耗會增加氧化應激水平並削弱細胞中的還原性腫瘤微環境（TME）（圖4a）。這種特性可以增強ROS誘導的癌細胞的殺傷力。當 PgP@Fe-COF NPs的濃度為200 μg mL-1時，在沒有H2O2和US 照射的情況下，對4T1細胞的細胞毒性可以忽略不計（圖4b-c）。然而，在US照射下，隨着PgP@Fe-COF NPs濃度的增加，細胞活力降低。這些結果表明，結合SDT、CDT 和GSH消耗的PgP@Fe-COF NPs（IC50: 37.35 μg mL-1）將在細胞中取得更好的治療效果。為了進一步評估不同處理後的體外ROS產生，研究者使用2', 7'-二氯二氫熒光素二乙酸酯（DCFH-DA）來測量ROS產生（圖4d）。正如預期的那樣，PgP@Fe-COF NPs/H2O2/US組在細胞內顯示出最強的ROS探針特異性熒光信號。此外，通過活/死染色進一步觀察不同處理後的細胞毒性，PgP@Fe-COF NPs/ H2O2/US表現出最有效的腫瘤細胞殺傷作用（圖4e）。

圖4.PgP@Fe-COF NPs的體外增強SDT

PgP@Fe-COF NPs的體內增強SDT

在上述優異的體外增強SDT結果的鼓勵下，研究者對PgP@Fe-COF NPs的體內抗癌作用進行了研究。其中，PgP@Fe-COF NPs/US組小鼠腫瘤生長明顯減慢，治療效果明顯優於PgP@Fe-COF NPs組和PgP@P-COF NPs/US組，表明增強SDT與GSH耗竭增強CDT相比具有顯著的治療效果（圖5a-b）。研究者進一步發現PgP@Fe-COF NPs在體內US照射下可以產生更多的ROS（圖5f）。上述結果表明，在結合CDT和GSH耗竭後，PgP@Fe-COF NPs可以實現增強的SDT，從而有效治療癌症。

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鋅基水系電池因其高理論容量、安全性和低成本而備受關注，但與枝晶生長密切相關的氫氣釋放、鑑定或抑制機制研究卻很少且具有挑戰性。在此，華南師範大學蘭亞乾等報道一系列親鋅金屬共價有機框架（例如，Zn-AAn-COF、Zn-DAAQ-COF 和 Zn-DAA-COF）已被探索作為模型平台來控制H2演化和 Zn2+通量。其中最好的是，基於Zn-AAn-COF的電池僅產生0.002 mmol h-1cm-2H2，比純Zn低> 2個數量級。值得注意的是，它在對稱電池中在20 mA cm-2下提供了3000次循環（過電位< 79.1 mV）的高穩定性，並在組裝的全電池中在2000 mA g-1下提供了高達6000次循環的循環穩定性。此外，機理表徵表明，Zn-AAn-COF可以增強析氫的能壘，使離子分布或電場均勻化，從而實現高性能。

理論上，為了研究抑制HER的機制，我們計算了Zn-COF@Zn和純Zn的H*吸附吉布斯自由能 (ΔGH*)。為產生氣態H2，惰性水應首先吸附在樣品表面，然後進行解離過程以產生吸附的H*和OH*。Zn-AAn-COF@Zn (2.94 eV)的 ΔGH*值是純Zn(0.52 eV)的6倍，表明H*吸附能力較弱（圖5c）。與Zn-DAAQ-COF@Zn和Zn-DAA-COF@Zn陽極相比，Zn-AAn-COF@Zn陽極還可以提供更困難的水離解過程，因此質子供應量要低得多，從而有效地抑制了 H2的釋放（圖 5d)。我們通過分子動力學模擬進一步計算了Zn-H2O在電極表面的配位數（圖 5d 和 S56）。通過徑向分布函數結果（圖 5d），Zn-AAn-COF 表面上 Zn-H2O的配位數（~1）遠低於裸 Zn（~6），這表明Zn-AAn-COF將由於去溶劑化作用，更有利於去除Zn2+表面的水合分子，從而阻礙副產物的形成和競爭性H2的析出。

此外，我們通過DFT計算獲得了AAn-COF的兩個 Zn2+的最佳配位點（圖 S58）。根據負EPS區域富集醌單元的實驗結果和理論計算，Zn2+在Zn-AAn-COF@Zn電極表面的反應是一個自發反應過程。具體而言，已通過DFT計算單獨研究了多步鋅化過程中重複Zn-AAn-COF單元的優化能量偏好結構的結合能。結果表明，Zn-AAn-COF單元在吸收Zn2+後達到負吉布斯自由能值，表明基於氧化還原的有效利用，Zn-AAn-COF在跳躍過程中能夠容納最多6個Zn2+-活性基團（圖 5e）。鑑於上述結果，我們推測Zn-AAn-COF中去溶劑化、配位位點和結合能的調節是阻止H2演化和阻礙副產物的形成，從而提高倍率性能和循環穩定性能。

Can Guo, Jie Zhou, Yuting Chen, Huifen Zhuang, Qi Li, Jie Li,Xi Tian, Yuluan Zhang, Xiaoman Yao, Yifa Chen, Shun-Li Li,and Ya-Qian Lan. Synergistic Manipulation of Hydrogen Evolution and Zinc IonFlux in Metal-Covalent Organic Frameworks for Dendrite-free Zn-based Aqueous Batteries. Angew. Chem. Int. Ed.2022, e202210871

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202210871

催化開天地

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