Tailor-Made Nanoporous Metal–Organic Frameworks Via Molecular Engineering for Bilirubin-Specific Capture from Liver Failure Patients’ Blood

Shanshan Zhang, Jinming Zhang, Yihan Li, Dabao Shang, Ding Zhao, Fangke Zhang, Juan Wang, Liang Chen*, Xiaogang Xiang* & Wenguo Cui*

Nano-Micro Letters (2027)19: 48

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02337-y

本文亮点

1. 通过物理手段克服了胆红素清除与蛋白质流失之间的关键权衡问题：开发纳米级胆红素特异性分子捕获器可通过Zr-吡咯环配位作用自发解离白蛋白-胆红素复合物并快速捕获释放出的胆红素。该方法可从模拟血液中捕获 97.9% 的胆红素，而对Alb排斥率近100%。

2. 提出一种新型MOFs材料的分子工程化策略，实现了 MOF纳米孔结构的精准定制：UiO-66纳米孔框架展现出自发且超快的吸附自由能，为毫秒级胆红素快速捕获提供了动力学基础。

3. 该研究在临床离体实验中表现优异：较商用IER，单位质量HA-UiO-66对10例高胆红素血症患者血浆样本的TBIL捕获能力提升了251%，且白蛋白流失量极低(Δ≤2.58%)。

研究背景

在全球范围内，伴严重高胆红素血症的肝脏疾病(如肝功能衰竭、胆汁淤积)已累及数百万患者，每年造成约200万例死亡，肝衰竭患者短期死亡率甚至高达70%。基于血浆吸附原理的人工肝支持系统在高胆红素血症的临床治疗中发挥着重要的支持作用，但现有基于阳离子交换树脂的吸附策略大多缺乏特异性，易将白蛋白(Alb)、免疫球蛋白、补体蛋白及凝血因子等有益血浆成分非预期清除，从而可能加重低白蛋白血症、削弱机体免疫防御能力，并增加感染与出血风险。这一局限源于胆红素与Alb(69 kDa，水合直径 > 6 nm)之间纳摩尔级的结合亲和力(Kd ≈ 10⁻⁸M)：在生理pH条件下，二者形成动力学稳定的复合物，解离半衰期为6–8 ms。受此影响，现有吸附剂仅能清除20%–40%的游离胆红素，对Alb结合型胆红素几乎无效。因此，如何跨越白蛋白(Alb)与胆红素(TBIL)结合屏障，实现对血液总胆红素特异性识别与高效捕获是当前临床治疗高胆红素血症的重大挑战。

内容简介

针对以上难题，瑞金医院项晓刚团队首次提出“分子工程化辅助功能修饰”策略，以不同碳链单齿羧酸配体(C0－C8，XA)编程锆(Zr)-UiO-66的配位环境体，构建一类具有“胆红素专属捕获器”功能的UiO-66s。结构内Zr–μ₃-OH位点与胆红素吡咯环形成Zr-吡咯专属配位，而Alb因HA-UiO-66(平均孔径7.6 Å)空间限域效应被排阻在外，从而物理化解“Alb结合屏障”。经计算，HA-UiO-66与胆红素之间的吸附作用能(ΔEads = −3.7 eV)为自发、快速的捕获过程提供了热力学与动力学基础。在模拟血液样本中，HA-UiO-66对胆红素的清除率高达约97.9%，且白蛋白近乎无损。在肝衰竭患者血浆样本的3小时临床离体评估中，HA-UiO-66的TBIL清除能力较商用IER产品显著提升251%，而白蛋白流失率≤2.58%。该研究首次揭示分子工程化调控MOFs配位环境策略在高效捕获血浆胆红素领域的潜在优势与临床转化前景。

图文导读

I UiO-66s形貌与结构表征

如图1为UiO-66纳米多孔框架(约200 nm)，具有清晰的多面体形貌(图1a)。经过水热及酸处理过程(图1b)，采用¹H NMR监测化学位移变化。如图1c所示，对于nano-HA-UiO-66和FA-UiO-66，甲酸盐共振峰(δ=8.06 ppm)完全消失；对于nano-BA-UiO-66，丁酸盐信号(δ=0.98、1.68、2.33 ppm)完全消失；对于nano-OA-UiO-66，辛酸盐信号(δ=0.89、1.29、1.63、2.13 ppm)完全消失，这证实脂肪族单羧酸封端剂已完全去除，且未作为补偿配体残留在所制备的UiO-66纳米多孔框架中。

图1. 工程化纳米 UiO-66s合成及表征。

傅里叶变换红外光谱(FT-IR，图2a)和X射线衍射(XRD，图2b)结果证实了新开发的UiO-66纳米多孔框架的化学纯度和结晶度。电子顺磁共振(EPR，图2c)光谱，荧光发射光谱吸收(图2d)的变化，解析工程化UiO-66纳米多孔框架之间的局部结构差异，并鉴定胆红素的潜在结合位点。g ≈ 2.0027处的EPR信号随酸强度降低(从HA到OA)呈单调递减趋势，这表明更长的烷基链会阻碍H2BDC与相邻Zr-O簇的配位，从而暴露出更多未充分配位的Zr⁴⁺位点，进而增加缺陷密度，证实所提出的缺陷形成机制。荧光光谱吸收强度进一步佐证这些不饱和中心存在于工程化UiO-66纳米孔框架中。

图2.工程化纳米 UiO-66s的理化性能。

II UiO-66s的热学性能与配位环境分析

在空气中同步进行热分析，定量测定所制备UiO-66纳米孔框架的成分比例。归一化 TGA 曲线(图3)显示三个明显的失重区间：(i)30–100 ℃，归因于物理吸附水的脱附；(ii)200–350 ℃，对应金属节点的脱羟基化；(iii)420–560 ℃，与纳米孔框架的坍塌相关，此现象亦在差示扫描量热法(DSC)曲线中呈现放热峰得到证实。在200–350 ℃温度区间内，质量损失从6%(nano HA-UiO-66，图3a)分别增至7.6%(nano FA-UiO-66，图3b)、9.2%(nano BA-UiO-66，图3c)和13%(nano OA-UiO-66，图3d)，由此计算得出的Zr-O配位数分别为5.1、4.7、3.2和2.5。因此，单羧酸调节剂的较弱酸强度导致所制备的UiO-66纳米多孔框架中缺陷浓度系统性升高。

图3. 工程化纳米 UiO-66s的热力学曲线与配位环境分析。

该研究采用X射线吸收谱法测定缺陷工程化样品中Zr的氧化态及局部配位环境。经单羧酸调控后，Zr的价态基本保持不变，但随着酸强度的降低，可观察到Zr K边 XANES 出现系统性蓝移(图3e–f)。 EXAFS 谱图(图3g)在1.7 Å和3.1 Å处显示两个主峰，分别归属于Zr-O与Zr-Zr散射路径，表明第一配位层内存在四种不同的Zr-O贡献(μ₃-O、μ₃-OH、-COOH及-OH)，这解释了R空间中显著的不对称性；结合上述表征结果及ζ电位数据(图3h)，纳米HA-UiO-66的带正电表面与高电负性胆红素具有最理想的静电匹配性，证明其具备最优捕获性能。

III 吸附性能分析

该研究在77 K温度下采集了UiO-66s的N₂物理吸附等温线(图4a)。I型吸附曲线证实该材料具有多级微孔/介孔结构；随着单羧酸烷基链长度的增加，Brunauer–Emmett–Telle(BET)比表面积从1130 m²/g(nano HA-UiO-66)增至1403 m²/g(nano OA-UiO-66)。基于密度泛函理论(DFT)计算与BET分析获得的孔径分布显示，平均孔径从7.6 Å扩展至3.41 nm，表明孔径分布随链长增加从Å级微孔向介孔转变——这一趋势与文献报道结果一致(图4b)。鉴于胆红素的线性尺寸为6.7 Å，而Alb的水合直径＞6 nm，nano HA-UiO-66的亚纳米级孔道窗口可对其实现直接尺寸排阻选择性，同时阻隔Alb分子。

图4. 工程化纳米 UiO-66s的吸附性能。

该研究以PBS为生理介质(pH 7.4)模拟评估了工程化UiO-66纳米多孔框架对 TBIL的捕获性能。不同时间梯度的TBIL浓度如图4c所示。纳米HA-UiO-66中 TBIL 的浓度在18分钟内急剧下降至7.6 mg/L(达到平衡，处于常规临床范围内)，并在120分钟后降至5.01 mg/L，对应的去除率为97.9%。等温线数据(图4d)分别采用Langmuir和Freundlich模型进行拟合；Langmuir模型得出的R²值更优，表明单层吸附过程包括：(i)胆红素与Zr–μ₃-OH位点结合；(ii)由氢键和疏水相互作用驱动的表面自聚集。鉴于其最大吸附容量、快速达到平衡的时间以及良好的动力学特性，与该纳米多孔框架系列中的其他吸附剂相比，纳米HA-UiO-66展现出卓越的 TBIL 捕获性能。同时，如图4e所示，在含有尿素、肌酐、肌酸、多巴胺和葡萄糖的模拟混合液中，所开发的HA-UiO-66材料可截留约98%的胆红素，而对其他溶质的吸附率均低于9.1%，这凸显了其卓越的分子特异性。通过梯度浓度牛血清白蛋白(BSA)溶液实验(0-50 g/L)，进一步发现其优异的胆红素捕获性能几乎不受BSA浓度的影响(图4f)。

IV 分子间相互作用力分析

根据标准的UiO-66化学式：Zr₆O₄(OH)₄(BDC)₆计算，每个晶簇的平均对苯二甲酸连接数仅为2.4，远低于新合成的UiO-66(Zr)的数值(5.04)及理论最大值(6)。而对于完全完整的UiO-66纳米多孔框架，其最小连接数应为3(即每个Zr6晶簇至少含有6个有机连接体)。因此，纳米HA-UiO-66同时存在晶簇与连接体缺陷。这些未充分配位的Zr中心由补偿性配体稳定，进而生成Zr-OH位点，这些位点可推断为 TBIL 吸附的主要活性中心。

图5. 工程化纳米 UiO-66s与胆红素分子间的相互作用分析。

FT-IR谱图证明(图 5a) ，胆红素与HA-UiO-66中 Zr-OH 位点(μ₃-O、μ₃-OH 及 Zr-O(-CO₂))发生特异性相互作用，其中 μ₃-OH 振动的显著改变提示该位点具有最强相互作用能力；苯环 C-C 伸缩振动峰(1650 cm⁻¹~1459 cm⁻¹)的明显位移，揭示了所构建的 HA-UiO-66 纳米孔框架中的苯环与胆红素的吡咯基团之间发生 π–π 堆叠作用，从而形成另一类亲和位点。XPS 数据证明(图 5b–e)，胆红素的吡咯基团(C-N 和 C=O 基团)已嵌入 HA-UiO-66 的工程化纳米孔框架中，以及表面 zeta 电位也发生了变化，与 FT-IR 谱图趋势一致，表明胆红素的吡咯环与 BDC 苯环之间发生了 π-平行堆叠，这一过程构成了额外的结合位点。此外，Zr 3d(图 5c)与 N 1s(图 5f)谱图表明，在吸附后的 HA-UiO-66 样品中，胆红素并未通过 Zr-N 键直接与 HA-UiO-66 的配位中心配位。因此，在 HA-UiO-66 捕获胆红素过程中起主导作用的 Zr-OH 位点，源于纳米 HA-UiO-66 中配位不饱和 Zr 中心与补偿性配体(μ₃-O/μ₃-OH)之间的相互作用。

V 功能模拟验证

该研究在Materials Studio 8.0中构建了所开发的UiO-66纳米多孔框架的三维模型(图6a)。胆红素的结合强度(ΔEads)依次递减：HA-UiO-66 (–3.7 eV) > FA-UiO-66 (–2.6 eV) > BA-UiO-66 (–2.4 eV) > OA-UiO-66 (–1.1 eV)，证实所开发的HA-UiO-66纳米多孔框架可形成最稳定的复合物。几何结构分析(图6b)显示，胆红素四吡咯结构的四个氮原子及桥接刚性吡咯环的碳原子在纳米HA-UiO-66内腔经历最显著的构象畸变，表明尺寸诱导的适配作用可稳定客体分子。此外，通过模拟计算，识别出胆红素羰基氧原子与Zr6节点上的μ₃-OH氢原子之间形成的三个协同氢键，以及辅助的范德华相互作用；但后者对总相互作用能的贡献仅约1%(图6c)。

进一步使用磷酸(PA)进行了竞争性占据实验，揭示Zr–μ₃-OH 位点的关键作用。在 PA-UiO-66 的 Zr 3d XPS 谱中，在结合能为 191.3 eV 处观察到一个明显的信号(图 6d)，这归因于 HA-UiO-66 中的 Zr 原子与磷酸基团之间的相互作用。此外，PA-UiO-66 中 P 2p 的结合能发生了蓝移(133.8 eV)，这为 HA-UiO-66 与吸附的磷酸基团之间形成化学键提供了直接证据(图 6e)。通过 FT-IR 分析(特征磷酸基团谱带，图 6f)证实了磷酸基团的成功配位。如图 6g 所示，与原始 HA-UiO-66 约 97% 的胆红素吸附效率相比，PA-UiO-66 的胆红素吸附效率显著降低至约 17%。这些结果直接证明了 Zr–μ₃-OH 位点在胆红素捕获过程中起着决定性作用，有力支持吸附机制。

图6. 工程化纳米 UiO-66s与胆红素分子关键作用验证。

VI 临床应用潜能评估

该研究在瑞金医院采集了10例因肝衰竭、胆汁淤积或其他相关疾病导致高胆红素血症患者的肝素化全血临床样本，开展单次吸附式并行对比实验：以商业离子交换树脂(IER)为主要活性成分的一次性胆红素吸附剂作为对照，实验流程如图7a所示。图7b–k展示了3小时内TBIL差异化清除曲线；所开发的纳米HA-UiO-66在全部患者样本中均表现出更快的吸附动力学与更高的清除效率。统计分析(图7l)表明，纳米HA-UiO-66的性能始终优于商用IER，其在3小时的TBIL清除能力较后者显著提升251%。吸附时间≥1.5 h后，纳米HA-UiO-66相对商用IER的优势即已超过100%；且在首个小时内，已有70%的样本优于商用基准。关键的是，纳米HA-UiO-66的白蛋白流失率极低(≤2.58%，图7m)，这证明与迄今已报道的临床白蛋白结合胆红素清除体系相比，纳米HA-UiO-66实现了最低的白蛋白损失水平。上述数据充分证实了纳米HA-UiO-66在血液TBIL净化方面的变革性临床潜力。

图7. HA-UiO-66用于10位高胆红素患者血浆TBIL的实际捕获效果。

VII 总结

该研究通过分子工程化策略以添加的单齿羧酸调控UiO-66s材料的配位环境体，并以理化表征、模拟测试和DFT及分子模拟计算等多层面揭示UiO-66s孔道化学和多级孔结构的产生机制及其对胆红素的吸附规律与吸附性能、选择性的影响；结合模拟实验和理论吸附模型探讨HA-UiO-66与胆红素的特征构效关系和结构匹配效应，阐明HA-UiO-66对胆红素的特异性识别与高效捕获特性。

HA-UiO-66以Zr–μ₃-OH位点的结构匹配效应与胆红素吡咯环可形成Zr-吡咯专属配位，进而以空间限域作用突破白蛋白结合屏障；同时UiO-66s以氢键/π-π相互作用进一步增强胆红素的络合效应，HA-UiO-66的胆红素捕获和白蛋白排斥能力显著高于其它UiO-66s。

在10例高胆红素血症患者血液样本的离体评估中，单位质量的HA-UiO-66在近乎不损失白蛋白(流失率≤2.58%)的前提下，TBIL清除能力较商用IER产品显著提升了251%。

该研究突破了现有临床产品在胆红素吸附过程中“胆红素清除必白蛋白损失”的技术瓶颈，为当前的血液净化治疗提供了变革性的临床前证据。这些发现可以为MOF基TBIL吸附剂功能结构的定向设计和临床转化提供重要理论和技术参考。

作者简介

崔文国

本文通讯作者

上海交通大学医学院附属瑞金医院 教授

▍主要研究领域

再生医学材料研究

▍主要研究成果

教授/博导，现任瑞金医院科技部主任、临床研究机构/伦理委员会副主任、上海市伤骨科研究所副所长。主要从事再生医学材料研究，并促进临床转化，发表系列论文，H=103，引用3.9万余次，授权专利70项(转化13项，获三类器械证1项等)、主编Elsevier/Wiley书3本等，6次入选全球高被引学者、ESI高被引论文26篇、英国皇家化学学会Fellow、中国生物材料学会理事和副主委等。主持国家科技重大专项，国家自然科学基金重点2项、上海领军人才、国家级人才项目、华为公关专项等。

▍Email：wgcui80@hotmail.com

项晓刚

本文通讯作者

上海交通大学医学院附属瑞金医院 主任医师/研究员

▍主要研究领域

危重型病毒性肝炎/肝衰竭的诊治，研究慢/急性肝衰竭(ACLF)的发病机制与治疗策略。

▍主要研究成果

上海交通大学医学院附属瑞金医院感染科主任医师、科室行政副主任，长期从事危重型病毒性肝炎/肝衰竭的诊治，研究慢/急性肝衰竭(ACLF)的发病机制与治疗策略，完成一项靶向促进肝细胞再生新药治疗ACLF的临床转化(IIa期已完成)。担任中华医学会感染病学分会委员、中国医学救援协会生命支持分会委员、上海市医学会肝病学分会委员、上海市中医药学会感染病分会副主任委员、上海市中西医结合学会肝病专委会副主任委员。主持国家自然科学基金4项，入选上海市东方英才拔尖项目、上海市加强公共卫生学科带头人、上海市医苑新星杰出青年人才、上海市优秀青年学术带头人计划等。

▍Email：shine-xxg@163.com

陈亮

本文通讯作者

上海交通大学 副研究员

▍主要研究领域

交叉护理学与再生医学

▍主要研究成果

副研究员/硕导，上海交通大学护理学院，护理生物材料课题组长，主要研究方向为交叉护理学与再生医学。目前，在Adv Mater，Adv. Funct. Mater，Small等杂志发表相关论文20余篇，申请专利9项(授权7项)，主持国自然青年/面上项目、上海市卫健委临床研究专项、中国博士后科学基金面上项目等，参与国家重点及省部级等项目多项。

▍Email：liangchen_cl@yeah.net

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自纳微快报科学网博客。

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