【COF第六弹】COF胶囊的通用制备方法！！

酶固定化技术已成为促进生物大分子产业化的有效途径。尽管在开发新的策略和材料以实现这一过程方面付出了巨大的努力，但酶等生物大分子结构脆弱，因此保持酶活性仍然是一个巨大的挑战。此文利用牺牲模板法，以不稳定的MOF为牺牲模板构建中空COF胶囊，用于酶的封装。这种方法成功保持了酶活性且成功应用于酶催化反应！更重要的是方法和理念的通用性，为以后合成COF包覆材料（不仅生物分子，也可是其他不稳定的材料）具有很大启发意义！个人认为此策略非常重要，值得详读。

【COF胶囊-源起】

酶作为一种天然催化剂，其重要性不言而喻。然而，酶本身的脆弱性极大地阻碍了它们的工业应用。而COF具有多孔性，高稳定性和可调节性使其成为酶封装的优良宿主。然而，COF制备过程中所需的苛刻的合成条件使得通过“一锅法”直接制备包封生物大分子的COF胶囊不切实际。而COFs的姊妹材料MOFs已被报道可以原位包裹并稳定生物大分子，然而造成生物分子活性降低。但MOFs胶囊中，不稳定的MOFs可以被消解从而释放生物分子，并且不损失其活性。另外，MOF@COF材料也已经被大量报道！！！至此，可以想到结合COF和MOF的以上特点，首先把酶包封到MOF中，之后再用COF包裹住MOF，最后把MOF消解，释放酶，就可以完美的得到酶@COF胶囊了！！！优秀！！如下图：

图1 COF胶囊的合成策略

【COF胶囊-合成】

ZIF-90先前已被证明能有效地封装各种生物活性大分子（如酶），并保护它们免受恶劣条件的影响，同时在温和的酸性条件下ZIF-90易被消解。并且，重要的是ZIF-90结构中有未反应的醛基！现在只要找到一个酸性条件下稳定的醛-胺缩合反应的COF，就万事俱备了。通过筛选，作者选择了COF-42，结构如下图。掌握了以上理念后，我认为其合成方法和怎样把大象放进冰箱里一样简单。合成步骤：第一步，在MOF(选用ZIF-90)合成中原位包住酶得到酶@MOF；第二步，把酶@MOF扔到合成COF的反应中，使得MOF外表面包覆一层COF（选用COF-42B），即得到酶@MOF@COF；第三步，把酶@MOF@COF中MOF在弱酸中消解，最终得到酶@COF。合成过程中需要注意的一些细节请移步原文。Notes：示例中作者选用的生物大分子为BSA (Bovine Serum Albumin，是一种蛋白，不是酶) ，为方便叙述，以上统称之为酶。

图2 COF胶囊的合成

各个步骤的结果作者用PXRD和TEM进行测试，PXRD发现合成过程中MOF和COF晶态共存。此外，COF壳层的厚度可以通过第二步中酶@MOF与COF的比例来调节。最终结果如图3：

图3 COF胶囊的PXRD与TEM表征

此外，作者对此策略的通用性进行了探索，选用ZPF-2 (ZPF = Zeolitic Pyrimidine Framework)、ZIF-8等作为牺牲模板，并且选用COF-43-B 作为COF壳，其均可以成功合成COF胶囊。

【COF胶囊-应用】

CAT是一种已知的具有四个亚基的多聚体蛋白，它能催化过氧化氢（H2O2）分解生成O2和H2O。因此作者选用CAT酶，MOF选用ZPF-2与COF-42-B合成CAT@COF-42-B这种COF胶囊来展示其在催化中的应用。 如图4所示，TEM与mapping显示CAT中的特征元素Fe均匀地分散在所有样品中，这表明了CAT的成功封装。

图4 CAT@COF-42-B的电镜图

之后作者对COF胶囊（CAT@COF-42-B）的H2O2催化分解性能进行了测试，主要考察其与MOF的复合物CAT@ZPF-2，纯CAT两种前驱体进行性能比较，结果如下图a，b，总之性能超级好就对了，更多细节请移步原文。并且作者也考察了其在不同化学条件下的稳定性图c，最后对其循环稳定性进行了测试 如图d，发现在10次循环测试中性能仍然保持，证明其稳定性。

图5 COF酶的催化性能

【应用拓展】

这里作者在COF胶囊中封装了两种或多种酶，成功实现了各个酶之间级联反应（图6）。这个结果的实现意味着其在生物反应器或先进微器件的制造中有潜在的应用。

图6 各种系统的催化性能

【总结】

综上所述，本文报道了一种简单的三步法制备新型COF胶囊的方法来封装各种生物大分子，并且保持了生物大分子的活性以得到进一步应用。小编认为此策略完全可以应用于其他小分子化合物的COF封装，尤其是在各种催化领域得到应用！

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.0c00285

信息来源：COF人