这些超微孔晶体可能改变癌症治疗及其他领域 - 《华尔街日报》

想象一块微小的海绵，重量仅相当于几块方糖，但其内部布满无数微孔，表面积竟堪比一个足球场。

如果科学家能改造这种海绵，使其具备储存药物、增强癌症治疗等多种医疗用途会怎样？这类海绵确实存在，它们属于一种名为金属有机框架（MOF）的超多孔晶体。

化学家表示，过去五年间针对MOF潜在应用的研究正在加速。他们预测这种晶体化合物可能彻底改变医疗、能源等行业。有专家认为未来一二十年内，MOF可能像聚合物（构成塑料等许多人造材料的基础化合物）一样普及。

巴基斯坦卡拉奇国际化学与生物科学中心化学教授M·拉扎·沙阿表示：“MOF是未来的革命性化合物。”

MOF由两种成分构成：金属和有机化合物（化学中指含碳材料）。其晶体类似用有机连杆连接金属节点搭建的三维脚手架，常被比作拼装玩具。

这些节点与连杆形成规则的空间网络，可捕获、储存和分离气体及药物分子等物质。化学家指出，正是这些空间赋予MOF海绵特性——每颗MOF晶体都含有惊人数量的微孔。一粒沙大小的MOF晶体可能拥有超过十亿个微孔，目前MOF的最高储存记录达到每克7000平方米的表面积，微量MOF即可产生巨大效能。

研究人员正在探索如何将MOFs（金属有机框架材料）的超高孔隙率特性应用于医学及其他领域。芝加哥大学化学家温斌·林表示，癌症治疗是MOFs展现重大潜力的领域之一。2018年，林博士协助启动了一项I期临床试验，旨在评估MOFs能否增强晚期癌症患者放射治疗的疗效。

放射疗法虽能杀死癌细胞并缩小肿瘤，但辐射对正常细胞同样具有毒性且可能引发副作用。林博士团队研发的MOFs材料能够吸收并放大辐射效应。这种由金属铪与林博士所称的专利有机化合物构成的MOFs被注入癌变肿瘤后接受放疗。林博士解释，MOFs的特殊结构可捕获辐射产生的次级粒子和光子，从而在不加剧正常细胞损伤的前提下增强对肿瘤细胞的辐射效果。

林博士指出，得益于超高孔隙率特性，每个肿瘤仅需少量MOFs注射剂量。这些材料最终会在体内无害分解。

已完成试验的完整结果尚未公布。林博士表示初步分析显示，接受MOFs治疗的患者仅需半数辐射剂量即可获得更显著的肿瘤缩小效果，且患者对该材料耐受性良好。

“我对此寄予厚望，这有望为癌症治疗提供全新途径。”林博士表示。

在苏格兰格拉斯哥大学，化学家罗斯·福根正通过实验室研究探索如何利用金属有机框架（MOFs）将强效药物精准递送至癌细胞内部，此举可能提升药物吸收率并减轻副作用。他指出，某些抗癌药物虽展现出根除癌细胞的潜力，却难以穿透细胞膜屏障。

“我们可以调整MOF结构使其更易进入细胞，”福根博士解释道。为将特定药物输送至癌细胞，其团队设计了一种载药MOF，表面包裹着能穿透癌细胞脂肪层膜结构的脂溶性化学涂层。福根博士参与的研究显示，使用该MOF递送系统时，仅需微量药物即可达到与单独用药相当的疗效。

多伦多大学生物医学工程师马苏德·莫扎法里介绍，科学家们正在实验室测试发光MOFs的应用。尽管这类MOFs尚未投入生物医学领域，但莫扎法里博士表示其可被设计为靶向特定生物标记物或细胞。通过体内注射这些发光MOFs，有望实现癌症等疾病的早期检测。

铪、锆、铁和锌是生物医学MOFs常用的金属成分。相关化学家指出，微量金属元素无毒，但过量可能导致中毒。部分有机化合物和溶剂同样存在潜在危害。

理想情况下，用于生物医学的金属有机框架材料（MOFs）应在治疗剂量下无毒，并具有足够的稳定性以在自然分解前发挥作用。林博士表示，他花费了近二十年时间才摸索出如何设计治疗用途的MOFs。

桑迪亚国家实验室（一家专注于国家安全的联邦资助研究机构）高级科学家蒂娜·内诺夫指出，MOFs的制造成本可能较高，尤其是当含有锌或金等昂贵金属时。但随着技术进步和更多种类MOFs的诞生，她预计成本将会下降。

内诺夫博士正在探索如何将MOFs用作传感器来检测有毒气体或分离混合气体。她表示，美国能源部和国防部已资助了这类传感器的研究，未来或可用于军方监测老化弹药释放到环境中的化学物质等用途。

“通过不同的设计和修饰方法，几乎可以为任何应用场景定制高选择性的MOFs。“内诺夫博士解释道。

MOFs在抗菌治疗和组织再生领域也展现出潜力。包括福根博士在内的研究人员已开发出能中和病原体的MOFs，并将其植入口罩过滤层和导管内衬中。这些设备目前仍处于原型阶段。

研究人员还利用MOFs进行碳捕集和水过滤。埃克森美孚、沙特阿美和巴斯夫等企业已投资研究MOFs的潜在应用。

总部位于伊利诺伊州的初创公司NuMat Technologies于2016年成为首批将MOFs商业化的企业之一，其销售的MOFs材料用于储存电子工业中的有毒化学品。

“几乎每个经济领域都能用到MOFs材料，“加州大学伯克利分校化学家Omar Yaghi表示。他被公认为MOFs术语的提出者，也是最早合成这类化合物的研究者之一。