活性氯化学赋能卟啉MOF：构建原位HOCl生成平台，实现抗菌、解毒与肿瘤治疗多功能协同
活性氯化学赋能卟啉MOF：构建原位HOCl生成平台，实现抗菌、解毒与肿瘤治疗多功能协同
论文题目：Engineering porphyrinic MOFs via in-situ N–H chlorination for HOCl generation, detoxification, phototheranostics and antimicrobial activity
期刊： Advanced Powder Materials
DOI： https://doi.org/10.1016/j.apmate.2026.100448
微信链接： https://mp.weixin.qq.com/s/ytI8B4d0X6bjIjyknRdUEA
01 文章摘要
活性氯物种（reactive chlorine species, RCS），尤其是次氯酸（hypochlorous acid, HOCl），是天然免疫系统中不可或缺的重要氧化防御分子。在机体免疫防御过程中，中性粒细胞可通过髓过氧化物酶（myeloperoxidase, MPO）催化氯离子氧化生成HOCl，进一步利用其强氧化能力实现对细菌、病原微生物以及异常细胞的快速杀伤。然而，尽管这一源于生命体系的氧化防御机制具有极高的效率和选择性，如何将其精准迁移至人工材料体系，并实现活性氯物种的可控生成、稳定调节以及多功能应用，仍然面临诸多挑战。
受天然免疫活性氯防御机制启发，本研究设计了一种具有仿生氧化功能的卟啉基锆金属有机框架材料（PCN-222-Cl）。研究人员通过对卟啉配体进行原位N–H氯化修饰，在MOF框架内部引入可调控的N–Cl功能结构，实现了材料内部HOCl的原位生成。研究发现，N–Cl键的形成能够诱导卟啉大环电子结构重新排列，使其表现出更加明显的电子缺陷特征，从而增强氯离子的氧化活化能力并促进HOCl持续释放。同时，卟啉光敏结构与具有Lewis酸催化性质的Zr 6 O 4 (OH) 4 金属节点之间产生协同作用，进一步提升了材料的催化氧化能力和光响应性能，使PCN-222-Cl兼具活性氯生成、光热转换以及光动力治疗等多重功能。
基于这一独特的结构设计，PCN-222-Cl展现出优异的多领域应用潜力。在抗菌方面，该材料能够通过HOCl介导的氧化攻击有效破坏细菌结构，对大肠杆菌（ Escherichia coli ）和金黄色葡萄球菌（ Staphylococcus aureus ）的抑制效率分别达到99.7%和99.9%。在化学防护领域，该材料能够促进模拟化学毒剂的快速降解，实现高效解毒作用。此外，在肿瘤治疗过程中，PCN-222-Cl在无光条件下即可通过HOCl介导的氧化损伤实现94.5%的肿瘤生长抑制，而光照进一步激活卟啉光敏效应，提高ROS生成水平，使肿瘤抑制效率进一步提升至99.3%。该研究构建了一种融合活性氯化学、光热效应以及光动力治疗的新型人工免疫材料平台，为开发下一代多功能生物材料提供了新的设计思路。
02 研究背景
从天然免疫到人工材料：如何复制生命体系中的氧化防御？
自然界经过数亿年的进化，形成了一套高度精密且具有时空调控能力的氧化防御体系。其中，活性氯物种（RCS）尤其是HOCl，是免疫细胞执行快速杀伤功能的重要化学武器。在感染发生时，中性粒细胞能够利用MPO-H 2 O 2 -Cl - 体系产生HOCl，通过氧化蛋白质、脂质以及核酸等关键生物分子，实现对入侵病原体的高效清除。同时，HOCl还能够与活性氧物种（ROS）以及活性氮物种（RNS）共同构建复杂的氧化网络，从而维持机体对感染和异常细胞的防御能力。
然而，目前人工活性氯材料体系仍难以完全模拟天然免疫过程。一方面，传统活性氯材料通常依赖预先储存的氯源或外部刺激释放活性氯，难以实现类似生物体系中的原位持续生成和动态调控；另一方面，大多数活性氯释放体系缺乏光响应功能，无法实现治疗过程中的时空精准控制。此外，现有材料通常集中于单一应用方向，例如抗菌、解毒或肿瘤治疗，难以同时兼顾多种生物医学需求。因此，如何借鉴天然免疫机制，利用先进材料设计策略构建一种能够自主产生HOCl，同时兼具催化活性、光响应能力以及治疗功能的新型人工氧化防御平台，成为当前生物材料领域的重要研究方向。
03 创新点
（1）提出了一种基于原位N–H氯化策略的MOF精准功能化方法，实现了活性氯化学在多孔材料内部的可控构筑。 传统MOF氯功能化方法往往存在反应条件苛刻、氯化程度难以精准控制以及容易破坏框架结构等问题，而该研究利用NaDCC作为氯化试剂，通过温和条件下诱导卟啉配体中的N–H键转化为N–Cl键，在保持MOF晶体结构稳定性的同时，实现了对材料电子性质的精准调控。这种分子层面的结构工程不仅赋予材料活性氯生成能力，同时显著提升了其氧化催化性能。
（2）N–Cl功能化并非简单的化学修饰，而是对整个MOF电子环境进行了重新设计。 由于Cl原子具有明显的吸电子效应，卟啉大环表现出更强的电子缺陷特征，从而提高了Cl原子的氧化活化效率。同时，锆基MOF中的Zr 6 O 4 (OH) 4 节点作为Lewis酸催化中心，与电子调控后的卟啉配体形成协同作用，共同促进HOCl生成和释放。
该研究突破了传统单一氧化治疗模式，实现了抗菌、化学解毒以及肿瘤治疗等多功能融合。PCN-222-Cl不仅能够依靠HOCl产生强氧化效应，同时保留卟啉MOF优异的光响应特性，在光照条件下进一步诱导ROS生成，并通过光热效应促进催化反应过程。因此，该材料形成了“HOCl氧化杀伤+ROS光动力增强+光热协同促进”的多重治疗模式，为开发新型人工免疫材料和智能治疗平台提供了重要参考。
04 文章概述
4.1 仿生设计：从中性粒细胞获得材料设计灵感
研究团队首先从天然免疫体系中寻找设计灵感。中性粒细胞作为机体先天免疫的重要组成部分，能够通过MPO催化产生HOCl，实现对细菌和病原体的快速氧化清除。这种天然氧化防御机制具有高效、快速以及广谱杀伤等特点，为人工材料模拟生命化学过程提供了重要启发。
基于这一理念，研究人员选择具有优异电子结构和光化学性能的卟啉分子作为功能核心，并利用金属有机框架（MOF）高度可设计、多孔结构稳定以及活性位点可调控等优势，将活性氯化学引入人工材料体系，实现了从“生命免疫化学”到“人工催化平台”的跨越。
图1. 卟啉金属有机框架介导的活性氯化学用于光热诊疗与抗菌防御的示意图
4.2 原位N–Cl功能化改变材料电子结构
为了实现HOCl的原位生成，研究人员采用NaDCC对PCN-222进行后修饰处理，使卟啉环上的两个N–H位点转变为N–Cl结构。结构表征结果显示，氯化修饰后，原本属于卟啉N–H键的特征振动峰消失，同时出现新的N–Cl键特征信号，而MOF内部Zr节点结构保持完整，证明该策略能够在不破坏框架稳定性的情况下实现精准分子改造。这种N–Cl功能化改变了卟啉体系的电子分布，使材料更加容易参与氧化反应过程，并赋予PCN-222-Cl持续生成HOCl的能力。该结果表明，通过调控MOF配体电子性质，可以有效实现对高活性化学物种生成过程的精准控制。
图2. PCN-222-Cl的合成、结构表征、理论计算及光化学性能分析
4.3 HOCl生成增强与解毒应用
由于N–Cl键引起的电子结构重新排列，PCN-222-Cl表现出明显增强的氧化催化能力。在模拟化学毒剂2-氯乙基乙基硫醚（CEES）的降解实验中，PCN-222-Cl相比未修饰PCN-222表现出约3.4倍提升的光氧化速率，显示出优异的化学解毒能力。
这一结果证明，通过仿生设计将天然免疫中的活性氯化学引入MOF体系，不仅能够实现HOCl原位生成，同时能够拓展至危险化学物质降解和环境防护领域。
4.4 抗菌性能
HOCl作为一种高效氧化剂，能够通过破坏细菌膜结构、氧化蛋白质以及扰乱细胞代谢过程实现广谱抗菌作用。在抗菌实验中，PCN-222-Cl展现出显著增强的杀菌效果，对 E. coli 和 S. aureus 分别达到99.7%和99.9%的抑制效率，相比未氯化MOF体系表现出明显提升。
这一结果表明，通过材料内部持续生成HOCl，可以有效模拟天然免疫细胞的氧化攻击模式，为开发新型抗菌材料提供了新的策略。
图3. 材料的化学降解活性与生物抗菌效果评估
4.5 光增强肿瘤治疗
除了活性氯介导的氧化治疗外，PCN-222-Cl还充分利用卟啉结构的光敏性质，实现光增强治疗效果。在无光条件下，材料产生的HOCl即可诱导肿瘤细胞氧化损伤，实现94.5%的肿瘤生长抑制。而进一步光照后，卟啉结构被激活，大幅提高ROS生成水平，细胞内ROS含量提升约2.4倍，使肿瘤抑制效率进一步达到99.3%。
因此，PCN-222-Cl建立了一种“暗态HOCl氧化治疗+光激活ROS增强治疗”的双模式治疗体系，实现了对肿瘤治疗效果的进一步放大。
图4. PCN-222-Cl在4T1荷瘤小鼠体内的抗肿瘤疗效
4.6 仿生活性氯MOF材料的发展前景
尽管本研究通过原位N–H氯化策略成功实现了MOF材料中活性氯化学的精准构筑，并赋予材料抗菌、解毒和肿瘤治疗等多功能应用，但其进一步走向实际生物医学应用仍面临稳定性、安全性以及精准调控等挑战。未来，仿生活性氯材料的发展需要融合材料化学、生物医学、免疫工程以及智能响应材料等多学科方向，建立从分子设计、结构调控到生物功能评价的完整研究体系，推动人工免疫材料由功能实现向精准治疗转变。
在材料设计方面，未来研究将进一步关注活性氯生成过程的动态调控。通过调节N–Cl键构筑程度、卟啉电子结构以及MOF孔道环境，有望实现HOCl释放速率和作用范围的精准控制，降低非特异性氧化损伤。同时，结合pH响应、酶响应、光响应等智能材料策略，可赋予材料类似免疫细胞的环境感知能力，实现疾病微环境中的按需治疗。本研究中N–H氯化诱导电子结构重构，并结合Zr节点Lewis酸催化作用促进HOCl生成，为构建可编程人工免疫材料提供了新的设计思路。
在生物医学应用方面，未来需要进一步拓展活性氯材料在感染治疗、肿瘤免疫以及炎症调控中的应用潜力。目前，PCN-222-Cl已实现HOCl氧化作用与卟啉光动力效应的协同，通过“HOCl+ROS”双重氧化机制增强治疗效果，在抗菌和肿瘤治疗中均表现出优异性能。未来，通过与免疫治疗、药物递送或细胞治疗策略结合，有望构建更加复杂的人工免疫调控平台。
此外，人工免疫材料的发展仍需关注规模化制备、生物安全性以及体内行为研究。未来需要建立材料结构、生物响应与治疗效果之间的关联机制，通过多尺度表征和系统动物评价，推动仿生活性氯MOF材料从实验室研究走向实际应用。
05 启示
本文展示了一种以生命体系为设计灵感，通过材料工程模拟天然免疫氧化防御机制的新策略。传统功能材料通常依赖被动释放或外部刺激实现治疗作用，而本研究通过分子层面的电子调控，使MOF材料能够主动生成HOCl，实现了从“被动功能材料”向“主动人工免疫系统”的转变。
该研究进一步体现了未来生物材料发展的重要趋势，即由传统功能材料向仿生智能材料转变。通过精准调控材料内部化学过程，未来材料不仅能够作为治疗载体，还能够模拟生命体系感知环境、产生效应分子并执行精准治疗的能力。PCN-222-Cl通过N–Cl功能化调控卟啉电子结构，并结合Zr节点催化作用，实现活性氯生成与光催化功能协同，为人工氧化防御体系构建提供了新的思路。
对于生物材料和纳米医学领域而言，未来的发展将不仅依赖材料合成与性能优化，更需要融合人工智能辅助设计、多尺度模拟以及精准医学等交叉技术。随着智能材料和自动化研发体系的发展，未来功能材料研究有望从“经验设计—实验验证”逐渐转向“机制解析—智能设计—自主优化”的新模式。
总体而言，本研究提出的活性氯MOF设计策略，为构建下一代人工免疫材料提供了新的方向，也展示了通过精准分子工程重新定义材料功能边界的巨大潜力。
引用信息： Yi Ge, Kaibo Li, Beibei Wang, Ruixuan Dong, Jianfang Wang, Orysia Zaremba, Stefan Wuttke, Wei Zhu, Cheng-an Tao, Engineering porphyrinic MOFs via in-situ N–H chlorination for HOCl generation, detoxification, phototheranostics and antimicrobial activity. Adv. Powder Mater. 6(2027)100448. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2026.100448
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原文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X26000564
主题：材料|氧化防御|PCN-222-Cl|活性氯物种