CN107644129A - 一种预测多官能团的MOFs材料对客体分子的释放效果的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明利用Weibull模型以及Arrhenius公式，推导出金属‑有机框架材料中官能团与客体分子的相互作用与金属‑有机框架材料中官能团分布之间的量化关系，从而量化和预测MOFs材料对客体分子的释放效果，可以根据预测结果，进行前期的材料结构设计，使得到的材料达到所需的释放效果。
Description
技术领域
本发明属于利用金属-有机框架材料进行客体释放的技术领域，尤其涉及一种预测多官能团的-MOFs(多组分-金属有机框架材料)对客体分子的释放效果的方法。
背景技术
金属-有机框架材料[metal-organic Frameworks，又称金属有机框架，金属有机骨架材料，金属有机配合物或配位聚合物(coordination polymer)]是近二十年来研究比较热门的新型晶态多孔材料，具有大的比表面积，可调节的孔径大小，可设计的拓扑结构及易修饰的孔道化学环境等优良的性质。多组分金属-有机框架材料(MTV-MOFs,multivariate metal-organic Frameworks)含有的丰富可变的多官能团已经在很多领域得到应用研究，如气体吸附(D.Zhao,D.J.Timmons,D.Yuan,H.C.Zhou,Acc.Chem.Res.2011,44,123.J.L.C.Rowell,A.R.Millward,K.S.Park,O.M.Yaghi,J.Am.Chem.Soc.2014,126,5666)，催化(J.S.Seo,D.Whang,H.Lee,S.I.Jun,J.Oh,Y.J.Jeon,K.Kim,Nature2000,404,982)以及选择性吸附和分离等(Furukawa H,Cordova KE and O’Keeffe M etal.Science2013,341,1230444)。当前对于客体分子与金属-有机框架材料之间的相互作用的研究大都集中在小分子(例如气体分子，H2O等)，主要研究其在与框架产生作用的吸附焓，吸附熵以及自由能等的变化上(J.Jiang,H.Furukawa,Y.-B.Zhang,O.M.Yaghi,J.Am.Chem.Soc.,2016,138,10244)。这是由于小分子研究条件较为方便，模拟计算方法也较为成熟。而对于像客体分子这样的半径较大的客体分子与金属-有机框架之间的研究重点大都集中在对应用中(H.S.Cho,H.Deng,K.Miyasaka,Z.Dong,M.Y.Cho,A.V.Neimark,J.K.Kang,O.M.Yaghi,O.Terasaki,Nature 2016,527,503)，且在这些研究也往往是针对于材料的吸附焓，吸附熵以及自由能的研究。研究客体分子与MOFs(可被官能团修饰的孔材料)之间的弱相互作用与主体材料之间的关系的报道十分稀缺。造成这种研究缺乏的原因主要在于用于研究主客体之间相互关系的材料及其能级结构单一，得到的数据具有局限且变量不易控制，难以分析主客体相互作用的规律。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种预测多官能团的MOFs材料对客体分子的释放效果的方法，能够利用该预测方法实现官能团种类和比例的预设计。
本发明的技术方案可以通过以下技术措施来实现：
一种预测单一官能团的MOFs材料对客体分子的释放效果的方法，包括如下步骤：
(1)将含官能团A的MOF材料，记为MOF-A，负载特定客体分子，置于释放环境中，在特定时间间隔检测释放量，得到若干释放值y与时间t的散点；
(2)利用公式
对步骤(1)得到的散点进行模拟，得到模拟的释放曲线以及参数k，n的值，其中k是总释放率常数，n是形状参数；
(3)通过步骤(1)和(2)得到官能团A在MOFs材料配体中的比例为x的条件下，k与x的关系以及n与x的关系，其中，k与x呈指数关系，n随x变化基本稳定，取n的平均值；
(4)设置参数P，令
P＝-ln k，
得到P与x的线性关系，并从该线性关系中得到某一x下的PMOF-A；
(5)根据某一x下的PMOF-A，得到含单一官能团A的MOFs材料在某一x下的k值；
(6)将步骤(5)中得到的k值，及步骤(3)中得到的n的均值，代入公式：
可预测某一x下MOF-A对某一客体分子的释放曲线。
所述的官能团包括-H，-NH2，-Br，-Cl2，-NO2，-CH2，-F，-C2H2，-C4H4，-OH，-C2H2，-OR中的一种或多种，所述客体分子为，包括含有大π体系类的药物分子，含有羧基，羟基类及酰胺类的药物分子，进一步的包括Ibu(布洛芬)，RhB(罗丹明)，DOX(阿霉素)，以及具有-COOH的青霉素，头孢分子、具有-OH的阿司匹林、乙酰螺旋霉素、多西他赛、具有-NH2的氯霉素、带有π体系的土霉素，表阿霉素以及伊立替康药、带有-CH2、-CH3的红霉素、利福平等。。
一种预测多官能团的MOFs材料对客体分子的释放效果的方法，包括如下步骤：
(1)当MOFs材料中同时组装且仅组装A，B两种官能团时，令xA＝1-xB；
(2)利用权利要求1中的预测方法，得到各个组装单一官能团的MOFs材料的P与x的对应关系；
(3)利用：
P(MOF-AB)＝x[P(MOF-A)-P(MOF-B)]+P(MOF-B)，
得到同时含有AB组分的MOF-AB材料的PMOF-AB与x的关系，此处的x表示A在AB两种官能团中所占的比例，PMOF-AB表示官能团A在AB两种官能团中所占的比例为x时MOF-AB的P值，PMOF-A表示官能团A在MOF-A的比例为x时MOF-A的P值，PMOF-B表示官能团B在MOF-B的比例为1-x时MOF-B的P值；
(4)根据某一x下PMOF-AB的值，得出某一x下MOF-AB材料的k值；
(5)将相同客体分子体系下，MOF-A和MOF-B模拟的出n值求平均值；
(6)利用步骤(4)和步骤(5)得出的k值和n值，预测出某一x下MOF-AB材料对某一客体分子的释放曲线
优选地，步骤(3)中多官能团MOFs材料的P值为含单一官能团MOFs材料的P值与相应官能团占比之积的总和。
优选地，利用上述的方法预测含两种以上官能团的MOFs材料在某一官能团比例条件下对某一客体分子的释放曲线。
本发明提出一种量化主客体之间的相互作用的方法，利用这种方法预测MOFs材料对客体分子的释放效果，在本发明中，不同的官能团在主体材料中的比例会影响框架的能级，通过研究框架材料对不同的客体分子的释放行为总结出框架能级与官能团比例的量化关系，且此种量化关系能够对客体分子的释放行为进行预测。可以根据预测结果，进行前期的材料结构设计，使得到的材料达到所需的释放效果。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。
图1是MIL-101(Fe)-(C4H4)x负载不同客体分子时，P值与x的关系；
图2是MIL-101(Fe)-(C4H4)x负载不同客体分子时，n值与x的关系；
图3是MIL-101(Fe)-(NH2)x负载Ibu客体分子时，利用本发明所述的方法得出的预测曲线和实验验证点对比图，其中的曲线由上至下分别代表x＝0，x＝0.3，x＝0.5，x＝0.7，x＝1；
图4是MIL-101(Fe)-(NH2)x(C4H4)1-x负载Ibu(a)和RhB(b)时，利用本发明所述的方法得出的预测曲线和实验验证点对比图，其中a中的曲线，由上至下分别代表x＝0，x＝0.3，x＝0.5，x＝0.7，x＝1；b中的曲线由上至下分别代表x＝1，x＝0.7，x＝0.5，x＝0.3，x＝0。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面将进一步阐述本发明的具体实施例。
1，制备含有单一官能团的MOFs材料：
将对苯二甲酸和2-氨基对苯二甲酸按一定的摩尔比与六水合氯化铁一起加入到N,N-二甲基甲酰胺，再经加热，离心，回流，干燥，得到MIL-101(Fe)-(NH2)x样品；
将对苯二甲酸和1,4-萘二苯甲酸按一定的摩尔比与六水合氯化铁一起加入到N,N-二甲基甲酰胺，再经加热，离心，回流，干燥，得到MIL-101(Fe)-(C4H4)x样品；
2，制备含有多官能团的MOFs材料：
将2-氨基对苯二甲酸和1,4-萘二苯甲酸按一定的摩尔比与六水合氯化铁一起加入到N,N-二甲基甲酰胺，再经加热，离心，回流，干燥，得到MIL-101(Fe)-(NH2)x(C4H4)1-x样品。
3，含官能团的MOFs材料负载客体分子：
所得含官能团的MOFs材料加入到浓度为80mg/mL的Ibu乙醇溶液中，经过24h的搅拌，经离心得到负载有Ibu的MOFs材料。
所得含官能团的MOFs材料加入RhB的乙醇饱和溶液中，经过24h的搅拌，经离心得到负载有RhB的MOFs材料。
所得含官能团的MOFs材料加入DOX的乙醇饱和溶液中，经过24h的搅拌，经离心得到负载有DOX的MOFs材料。
所得含官能团的MOFs材料加入Ibu，RhB，DOX任意两种或三种与乙醇的饱和溶液中，经过24h的搅拌，经离心得到负载有DOX的MOFs材料。
4，释放行为的测试：
将负载有客体分子的含官能团的MOFs材料封装在透析袋中，将透析袋放入4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液中，在特定时间间隔取出释放溶液，检测释放量，并绘制释放曲线。
5，预测单一官能团的MOFs材料对客体分子的释放效果的方法，
包括如下步骤：
(1)制备MIL-101(Fe)-(NH2)x材料，并负载Ibu客体分子，置于释放环境中，在特定时间间隔检测释放量，得到若干释放值y与时间t的散点；
(2)利用公式
对步骤(1)得到的散点进行模拟，得到模拟的释放曲线以及参数k，n的值，其中k是总释放率常数，n是形状参数；
(3)通过步骤(1)和(2)得到官能团NH2在MOFs材料配体中的比例为x的条件下，k与x的关系以及n与x的关系，其中，k与x呈指数关系，n随x变化基本稳定，如图1所示，取n的平均值；
(4)设置参数P，令
P＝-ln k，
得到P与x的线性关系，并从该线性关系中得到某一x下的P(s-Ibu)，如图2所示；
(5)根据某一x下的P(s-Ibu)，得到MIL-101(Fe)-(NH2)x在某一x下的k值；
(6)将步骤(5)中得到的k值，及步骤(3)中得到的n的均值，代入公式：
可预测某一x下MIL-101(Fe)-(NH2)x对Ibu客体分子的释放曲线。如图3所示为预测的释放曲线及实验验证的释放效果，由图中可知，预测的释放曲线与实际得到的释放效果基本一致。
6，预测两个官能团的MOFs材料对客体分子的释放效果的方法，
包括如下步骤：
(1)制备MIL-101(Fe)-(C4H4)x(记为MOF-A)及MIL-101(Fe)-(NH2)x(记为MOF-B)材料，并同时负载Ibu和RhB客体分子，利用5中的预测方法，分别测定两种客体分子的释放情况，得到两种客体分子体系下MOF-A材料以及MOF-B材料的P值与x的对应关系；
(2)利用：
P(MOF-AB)＝x[P(MOF-A)-P(MOF-B)]+P(MOF-B)，
得到同时含有两种组分的MOF-AB材料的PMOF-AB与x的关系，此处的x表示A在AB两种官能团中所占的比例，PMOF-AB表示官能团A在AB两种官能团中所占的比例为x时MOF-AB的P值，PMOF-A表示官能团A在MOF-A的比例为x时MOF-A的P值，PMOF-B表示官能团B在MOF-B的比例为1-x时MOF-B的P值；
(3)根据某一x下PMOF-AB的值，得出某一x下MOF-AB材料的k值；
(4)将相同客体分子体系下，MOF-A和MOF-B模拟的出n值求平均值；
(5)利用步骤(3)和步骤(4)得出的k值和n值，预测出某一x下MOF-AB材料对某一客体分子的释放曲线
7，预测三个官能团的MOFs材料对客体分子的释放效果的方法，
包括如下步骤：
(1)制备MIL-101(Fe)-(C4H4)x(记为MOF-A)，MIL-101(Fe)-(NH2)x(记为MOF-B)材料，MIL-101(Fe)-(F)x(记为MOF-C)材料，并分别负载Ibu客体分子，利用5中的预测方法，得到MOF-A材料，MOF-B材料以及MOF-C材料的P值与x的对应关系；
(2)利用：
P(MOF-ABC)＝x[P(MOF-A)-P(MOF-C)]+y[P(MOF-B)-P(MOF-C)]+P(MOF-C)，
得到同时含有三种组分的MOF-ABC材料的PMOF-ABC与x或y的关系，此处的x表示A在ABC三种官能团中所占的比例，PMOF-ABC表示官能团A在ABC三种官能团中所占的比例为x时MOF-ABC的P值，PMOF-A表示官能团A在MOF-A的比例为x时MOF-A的P值，PMOF-B表示官能团B在MOF-B的比例为y时MOF-B的P值，PMOF-C表示官能团C在MOF-C的比例为1-x-y时MOF-C的P值；
(3)根据某一x下PMOF-ABC的值，得出某一x下MOF-ABC材料的k值，或者根据某一y下PMOF-ABC的值，得出某一y下MOF-ABC材料的k值；
(4)将相同客体分子体系下，MOF-A和MOF-B模拟的出n值求平均值；
(6)利用步骤(3)和步骤(4)得出的k值和n值，预测出某一x或y下MOF-ABC材料对某一客体分子的释放曲线
为了验证本发明的预测方法，对Ibu和RhB同时负载的MIL-101(Fe)-(NH2)x(C4H4)1-x体系的释放行为进行了预测和验证，如图4所示，其中的曲线为预测的释放曲线，图中的散点为实验验证的释放值，从中可以看出本发明提出的预测方法比较精确。
下面对本发明中所运用的推到原理进行详细描述。
Weibull模型的推导
根据常见的准一级公式，在理想状况下，客体分子之间的相互作用不随着时间和空间改变。假设晶体是一种半径为R的球体，与表面相互作用类比，释放速率与客体分子接近颗粒表面的浓度(cs)和表面积成比例：
考虑两种客体分子，A和B，具有相同的k0负载到理想的基质中，总的释放速率是：
对比上面两个公式，假设cs是一个与浓度有关的方程f(c)，得到：
f(cA+cB)＝f(cA)+f(cB)；
当f(c)＝k1c，因此释放速率公式为：
这是准一级速率等式，得出：
其中c0是总的客体分子浓度，在实验中，释放量为：
因此，在理想的基质中，客体分子释放公式：
y＝1-e-kt；
在准一级释放模型，客体分子之间的相互作用和结构限制与相同拓扑结构的晶体是不相关的，这说明客体相互作用与结构限域作用对主客体之间的相互作用没有影响，这也在一定程度上简化了主客体之间相互作用的量化。因次，客体分子之间的相互作用和孔径限域作用作为一个参数，n，并加到准一级释放公式中。客体分子之间相互作用和结构限制使得每一种客体分子的释放曲线出现不同的形状。加入形状参数n后的等式为：
P的推导：
Arrhenius公式：
其中EA是活化能，在客体分子释放的过程中，客体分子在框架材料孔中但还没有被吸附到配体上的过渡态，因此，活化能精确地代表了客体分子与配体之间的相互作用。
定义P：
P＝-lnk；
从上述等式中得出P与活化能EA成正比。在本发明中，P与配体在MOFs中的比例之间的线性关系说明客体分子与主体框架材料之间的相互作用被量化。客体分子的释放受框架中所有种类的配体的影响，最终的释放速率是所有因素平均的体现。假设配体在MOFs中的分布是无序的，总的相互作用是两种配体的平均值。
E(MOF-AB)＝xE(MOF-A)+(1-x)E(MOF-B)；
x是配体A在框架中的体系。
基于上式定义的P，相互作用能，应该与配体比例呈现线性关系，
P(MOF-AB)＝x[P(MOF-A)-P(MOF-B)]+P(MOF-B)；
为了证明Weibull模型的通用性，对客体分子的释放进行预测：
kM＝e-P；
在本发明中所涉及到的体系有Ibu，RhB，DOX单负载的MIL-101(Fe)-(NH2)x,MIL-101(Fe)-(C4H4)x,MIL-101(Fe)-(NH2)x(C4H4)1-x，Ibu和RhB共负载的MIL-101(Fe)-(NH2)x,MIL-101(Fe)-(C4H4)x,MIL-101(Fe)-(NH2)x(C4H4)1-x，Ibu和DOX共负载的MIL-101(Fe)-(NH2)x，MIL-101(Fe)-(C4H4)x，MIL-101(Fe)-(NH2)x(C4H4)1-x。以及所有客体分子与可通过改变官能团比例和种类以及更换金属节点得以连续调节能级的材料之间形成相互作用的体系。还有利用主客体相互作用(极性，酸碱性等)实现的量化研究体系。
在此种情况下，P体现了MOFs材料与客体分子相互之间的量化关系。利用P，n与官能团比例之间的量化关系，成功的在一定程度上量化了主客体之间相互作用，并提供了一种量化分子之间相互作用的新方法。
本发明的优点及积极效果为：使用Weibull模型模拟结合Arrhenius公式推导得出客体分子释放与框架材料中官能团(或其他影响孔道化学环境的因素)的相互关系。不同于现有技术对MOFs体系与气体分子之间的主客体相互作用的研究方法，本发明的方法可适用于直径更大的客体分子与MOFs材料(可被官能团的修饰的孔材料)的主客体相互作用的研究。本发明提供的量化MOFs材料与客体分子相互作用的方法能够使用推导的数学模型对客体分子的释放行为进行预测，且预测结果能与实际客体分子的释放行为进行很好的吻合。客体分子大分子与框架材料(可被官能团的修饰的孔材料)的相互作用和量化方法对于利用和研究弱相互作用提供了新的思路，通过设计改变主体孔材料的组分，来调控主体孔材料的孔道环境，从而可控地影响主体孔材料与客体分子之间的相互作用。利用该可调节的相互作用得出主体孔材料的组分与客体分子释放行为之间的量化关系，该量化关系也可以用来预测和设计客体分子的释放行为。本发明提供的主客体相互作用量化方法对于指导设计新型程序化客体释放材料具有重要的参考意义。本发明提供的方法可拓展并于其他的方法进行联用，进一步量化主客体的能级，并更好的利用主客体之间的弱相互作用。本发明的主客体相互作用量化方法对于对揭示客体分子的吸附，分离以及筛选等应用具有重要意义，对于揭示弱相互作用和酸碱，极性等涉及主客体之间相互作用的机理也起到一定的推动作用。
上述举例只是量化MOFs材料与客体分子相互作用的方法中的一种具体例子，不同的MOFs材料与客体分子之间相互作用可能存在不同的数学量化关系。通过对本发明的研究方法推导出的其他的MOFs材料与客体分子相互作用量化关系的方法均属于本发明的保护范畴。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (5)
1.一种预测单一官能团的MOFs材料对客体分子的释放效果的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将含官能团A的MOF材料，记为MOF-A，负载特定客体分子，置于释放环境中，在特定时间间隔检测释放量，得到若干释放值y与时间t的散点；
(2)利用公式
<mrow>
<mi>y</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>n</mi>
</msup>
</mrow>
</msup>
<mo>,</mo>
</mrow>
对步骤(1)得到的散点进行模拟，得到模拟的释放曲线以及参数k，n的值，其中k是总释放率常数，n是形状参数；
(3)通过步骤(1)和(2)得到官能团A在MOFs材料配体中的比例为x的条件下，k与x的关系以及n与x的关系，其中，k与x呈指数关系，n随x变化基本稳定，取n的平均值；
(4)设置参数P，令
P＝-ln k，
得到P与x的线性关系，并从该线性关系中得到某一x下的PMOF-A；
(5)根据某一x下的PMOF-A，得到含单一官能团A的MOFs材料在某一x下的k值；
(6)将步骤(5)中得到的k值，及步骤(3)中得到的n的均值，代入公式：
<mrow>
<mi>y</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>n</mi>
</msup>
</mrow>
</msup>
</mrow>
可预测某一x下MOF-A对某一客体分子的释放曲线。
2.如权利要求1所述的预测多官能团的MOFs材料对客体分子的释放效果的方法，其特征在于，所述的官能团包括-C4H4，-NH2，-H中的一种或多种，所述客体分子为Ibu，RhB，DOX中的任一种或多种。
3.一种预测多官能团的MOFs材料对客体分子的释放效果的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用权利要求1中的预测方法，得到各个组装单一官能团的MOFs材料的P与x的对应关系；
(2)当MOFs材料中同时组装且仅组装A，B两种官能团时，令xA＝1-xB；
(3)利用：
P(MOF-AB)＝x[P(MOF-A)-P(MOF-B)]+P(MOF-B)，
得到同时含有AB组分的MOF-AB材料的PMOF-AB与x的关系，此处的x表示A在AB两种官能团中所占的比例，PMOF-AB表示官能团A在AB两种官能团中所占的比例为x时MOF-AB的P值，PMOF-A表示官能团A在MOF-A的比例为x时MOF-A的P值，PMOF-B表示官能团B在MOF-B的比例为1-x时MOF-B的P值；
(4)根据某一x下PMOF-AB的值，得出某一x下MOF-AB材料的k值；
(5)将相同客体分子体系下，MOF-A和MOF-B模拟的出n值求平均值；
(6)利用步骤(4)和步骤(5)得出的k值和n值，预测出某一x下MOF-AB材料对某一客体分子的释放曲线
4.如权利要求3所述的预测多官能团的MOFs材料对客体分子的释放效果的方法，其特征在于，步骤(3)中多官能团MOFs材料的P值为含单一官能团MOFs材料的P值与相应官能团占比之积的总和。
5.如权利要求4所述的预测多官能团的MOFs材料对客体分子的释放效果的方法，其特征在于，利用权利要求3所述的方法预测含两种以上官能团的MOFs材料在某一官能团比例条件下对某一客体分子的释放曲线。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| XIAO-GANG WANG 等: "A multifunctional metal-organic framework based tumor targeting drug delivery system for cancer therapy", 《ARTICLE》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107644129B (zh) | 2019-08-20 |
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