一、MIL-100(Fe)为什么需要关注PBS稳定性？
MIL-100(Fe)是一类典型的铁基金属有机框架材料（Metal-Organic Frameworks，MOFs），主要由铁氧簇与均苯三甲酸（1,3,5-Benzenetricarboxylic Acid，BTC）配体通过配位作用构建而成。
该材料具有多孔结构、较大的内部孔腔以及可进行表面功能化的特点，在药物负载、催化、生物成像和功能纳米材料等领域受到关注。
在生物医学相关研究中，磷酸盐缓冲液（Phosphate-Buffered Saline，PBS）经常用于材料分散、释放测试、细胞实验前处理以及模拟部分生理条件。
然而，MIL-100(Fe)在PBS中可能发生明显的结构变化，不能简单地将PBS视为对其完全惰性的分散介质。
其主要原因在于，PBS中的磷酸盐组分不仅参与维持溶液pH，还可能与MIL-100(Fe)框架中的铁配位中心发生相互作用，进而影响原有Fe–O配位结构的稳定性。
在一定条件下，这类相互作用可能引起配体释放、铁物种重新分布、孔结构改变，甚至造成部分框架降解。
MIL-100(Fe)与磷酸盐环境的相互作用示意
二、MIL-100(Fe)的结构特征与稳定性基础
MIL-100(Fe)的框架由铁氧簇和有机羧酸配体共同构成。其多孔结构为客体分子进入孔道及内部空腔提供了条件，但同时也意味着框架中存在大量与溶液环境接触的金属配位位点。
材料稳定性主要受到以下几个因素影响：
-
金属—配体配位结构： Fe与羧酸配体之间的配位连接是框架形成的重要基础。
-
溶液中的竞争配位物种： 磷酸盐等含氧阴离子可能与铁中心发生相互作用。
-
溶液pH与离子组成： 影响金属中心、配体及框架界面的化学平衡。
-
材料粒径与缺陷程度： 纳米化、表面缺陷和晶体结构差异可能影响框架与溶液的接触及反应行为。
-
表面功能化状态： 聚合物、脂质或其他涂层可能改变溶液组分接近框架的速率。
因此，即使是化学组成相同的MIL-100(Fe)，不同粒径、合成路线和后处理条件下的样品，也可能表现出不同的PBS稳定性。
三、磷酸盐为什么可能破坏MIL-100(Fe)框架？
磷酸根与铁中心的竞争配位
PBS通常含有磷酸二氢根、磷酸氢根及钠、钾、氯等离子。具体组成取决于缓冲液配方。
磷酸盐中的含氧基团能够与铁物种产生较强的相互作用。在MIL-100(Fe)与PBS接触过程中，磷酸盐可能与框架表面或逐渐暴露的铁中心结合，并影响原有的Fe–羧酸配位平衡。
可用简化概念式表示：
该表达式仅用于说明竞争配位与配体置换的概念，并不代表真实体系只发生单一步骤的反应。
实际过程可能包括磷酸盐吸附、配位键交换、BTC配体释放、铁物种溶出及含铁磷酸盐物种形成等多个过程。
PBS环境下的可能变化路径
MIL-100(Fe)与PBS接触
磷酸盐进入材料表面及可接近孔道
⬇︎
磷酸盐与铁位点相互作用
吸附、竞争配位及局部结构重排
⬇︎
Fe–羧酸连接可能受到影响
部分配体释放、金属物种迁移
⬇︎
框架结构及孔道性质发生变化
可能伴随结晶度下降、孔结构改变或次生物种形成
需要强调，MIL-100(Fe)在PBS中的变化不一定表现为完全溶解。部分体系可能形成新的无定形含铁相或含铁磷酸盐沉积物。
因此，即使分散液中没有检测到大量游离铁离子，也不能直接认定MIL-100(Fe)框架保持完整。
四、磷酸盐浓度对MIL-100(Fe)稳定性的影响
磷酸盐浓度是影响MIL-100(Fe)在PBS中结构变化速率的重要因素之一。
一般而言，较高的磷酸盐浓度可能增加磷酸根与铁配位中心接触及发生竞争配位的机会，从而促进框架变化。但这一趋势也受到材料粒径、温度、pH和扩散过程影响。
2017年发表于 Scientific Reports 的研究利用拉曼显微技术观察了不同尺寸MIL-100(Fe)颗粒在磷酸盐介质中的变化。结果表明，磷酸盐浓度越高、颗粒尺寸越小，材料的降解通常越快；部分颗粒即使保持外部形貌，其内部结构也已发生明显变化。
不同磷酸盐浓度下的研究关注点
|
磷酸盐环境 |
可能的材料表现 |
重点观察指标 |
|---|---|---|
|
无磷酸盐水相 |
仍可能存在水解或其他结构变化 |
框架本征稳定性 |
|
低浓度磷酸盐 |
可能发生缓慢的配体置换 |
BTC释放、磷酸盐吸附 |
|
中等浓度磷酸盐 |
结构变化可能更明显 |
结晶度、孔结构 |
|
较高浓度磷酸盐 |
可能加速框架转化 |
BTC释放及次生铁相 |
以上为定性比较，并非特定磷酸盐浓度对应的固定降解等级。
五、MIL-100(Fe)在PBS中的稳定性是否与颗粒尺寸有关？
MIL-100(Fe)的粒径是影响其与PBS相互作用的重要结构因素。
相较于微米级颗粒，纳米级MIL-100(Fe)通常具有更高的外部比表面积和更短的内部扩散路径，因此磷酸盐可能更容易接近框架中的活性位点。
但粒径并不是唯一决定因素。材料结晶度、表面缺陷、聚集状态和孔道可及性也可能改变实际变化速率。
颗粒尺寸与PBS结构稳定性的概念关系
已有研究还观察到，MIL-100(Fe)颗粒可能呈现从外向内发展的结构侵蚀特征，形成已转化区域与相对完整核心并存的状态。
这意味着仅通过TEM或SEM观察颗粒是否保持原有外形，不能充分判断其内部晶体框架是否仍然完整。
六、MIL-100(Fe)在PBS中的真实降解行为：为什么铁释放量可能很低？
一个容易被忽略的问题是：MIL-100(Fe)框架降解与铁离子进入溶液并不是同一个过程。
当磷酸盐与铁中心发生作用后，部分铁物种可能继续保留在固相中，并与磷酸盐形成新的无机结构。
因此，材料即使发生明显的BTC配体释放及晶体结构破坏，溶液中检测到的铁浓度也可能较低。
2026年发表的一项研究报告，在其特定DPBS孵育条件下，未修饰MIL-100(Fe)的PXRD特征峰在数小时内明显减弱，而24小时测得的铁释放比例仍较低。这支持了部分结构转化以固相重组而非完全溶解为主的解释。
框架降解与铁释放的区别
框架结构降解 铁物种释放
主要关注BTC配体是否释放、晶体有序性 主要关注铁是否进入溶液，
是否下降、原有孔道是否保留。 需区分溶解态铁与残留固相中的铁。
在实际分析中，如果仅使用ICP-OES或ICP-MS检测上清液中的铁含量，而没有同步测定BTC释放和晶体结构，就可能低估框架实际发生的变化。
七、MIL-100(Fe)在PBS中的降解数据：公开研究案例
为避免使用未经验证的模拟结果作为材料性能依据，以下选取公开文献中的实验数据进行展示。
一项发表于2023年的研究在37°C、1 mM PBS条件下，比较了未包覆MIL-100(Fe)与环糊精衍生物包覆MIL-100(Fe)的BTC配体释放情况。
公开文献数据：37°C、1 mM PBS。数值为文献报道的近似百分比，不代表瑞禧生物产品性能。
从该研究可以看出，未包覆MIL-100(Fe)在PBS中出现了明显的BTC配体释放，而经特定环糊精衍生物包覆的样品释放比例较低。
这提示表面修饰层可能通过限制磷酸盐接近铁配位位点，在一定程度上延缓框架结构变化。
但不同包覆材料、涂层厚度和制备条件的影响可能存在明显差异，因此不能据此推断所有表面包覆都能有效保护MIL-100(Fe)。
八、MIL-100(Fe)在不同分散介质中的稳定性比较
除了PBS，MIL-100(Fe)还可能用于纯水、HEPES缓冲液、Tris缓冲液及细胞培养基等环境。
不同介质的化学组成会影响铁配位中心与外界分子的相互作用，因此需要针对实际应用场景分别评价。
|
分散介质 |
主要影响因素 |
稳定性评价重点 |
|---|---|---|
|
超纯水 |
水解、pH及溶解组分 |
本征水相稳定性 |
|
PBS |
磷酸盐竞争配位 |
BTC释放、铁磷酸盐形成 |
|
HEPES缓冲液 |
pH、离子强度及缓冲组分作用 |
框架结构与配体释放 |
|
Tris缓冲液 |
缓冲组分与铁中心的相互作用 |
配位环境和结构完整性 |
|
细胞培养基 |
盐、氨基酸、蛋白质等 |
结构变化及生物界面行为 |
|
含血清培养基 |
蛋白质吸附与复杂配位环境 |
蛋白冠、胶体及化学稳定性 |
HEPES或Tris并不能被直接认定为对MIL-100(Fe)完全无影响的介质。即使没有磷酸盐，其他缓冲组分、溶解氧及pH变化也可能影响材料结构。
因此，对于需要避免磷酸盐诱导降解的研究，可以将无磷酸盐缓冲体系作为候选对照，但仍需通过实验验证其适用性。
九、MIL-100(Fe)在PBS中的稳定性如何进行表征？
MIL-100(Fe)的稳定性研究应同时关注晶体结构、配体释放、铁物种变化及颗粒形貌，而不是依赖单一表征手段。
比较PBS处理前后MIL-100(Fe)的特征衍射峰，观察峰强度、峰宽和晶体有序性变化。需注意归一化、样品量和新相形成对结果的影响。
通过测定上清液中BTC配体的含量，评价原有Fe–BTC框架发生解离的程度。需要排除样品中残余游离BTC的干扰。
分析溶液中的铁含量，并结合固相元素分析建立铁物种的质量平衡，避免将低铁释放量误判为框架稳定。
观察颗粒形貌和结构变化，结合EDS等方法分析磷元素分布，研究是否出现含铁磷酸盐区域。
通过特征振动变化判断配位环境，并结合氮气吸附等方法分析处理后孔结构是否保留。
BTC配体释放率的计算
在明确初始框架BTC含量的前提下，可使用下式表示累计BTC释放率：
其中，\(m_{\mathrm{BTC,released}}\) 为经校正后的累计释放BTC质量，\(m_{\mathrm{BTC,initial}}\) 为样品中初始框架BTC总质量。
对于存在多次取样的实验，需要修正取样造成的物质损失，确保累计释放量计算准确。
十、如何改善MIL-100(Fe)在PBS中的结构稳定性？
改善MIL-100(Fe)的PBS稳定性，需要围绕磷酸盐进入孔道、接近铁中心及诱导配体置换的过程开展材料设计。
利用适当的聚合物或环糊精衍生物构建表面保护层，研究其对磷酸盐扩散、框架降解和药物释放的影响。
保护层并非越厚越好，过厚涂层可能阻碍药物负载和释放。
通过适当的复合材料或核壳结构，改变MIL-100(Fe)与外部介质的接触方式。
应重点验证保护层是否真正延缓BTC释放，而非仅维持颗粒外部形貌。
优化颗粒尺寸、晶体缺陷和表面结构，研究其对磷酸盐扩散及框架转化速率的影响。
需要兼顾纳米材料的分散性、负载性能和实际应用要求。
在实验目的允许时，比较不同缓冲体系、磷酸盐浓度及接触时间，避免将PBS作为所有实验环节的默认介质。
对需要PBS参与的研究，则应明确其引起的材料变化是否属于预期行为。
十一、PBS诱导的MIL-100(Fe)降解是否也具有应用价值？
MIL-100(Fe)在PBS中发生结构变化，并不意味着这一特性在所有应用中都是缺点。
对于要求材料长期保持晶体结构的研究，例如部分催化、吸附或结构稳定性测试，磷酸盐诱导降解可能带来明显干扰。
但对于药物递送等需要载体在特定环境下释放负载物的研究，框架逐渐解离也可能成为释放机制的一部分。
已有研究利用磷酸盐环境促进MIL-100(Fe)复合材料降解及蛋白质释放，说明这种介质响应行为可以被纳入载体设计。
不过，载体降解与药物释放并不总是同步。负载物可能被次生无机相吸附或包埋，导致框架配体已经释放，但药物仍未完全释放。
因此，应同时监测框架变化和负载物释放，不能将BTC释放率直接等同于药物释放率。
十二、MIL-100(Fe)在PBS中的实验研究设计建议
对于研究MIL-100(Fe)稳定性的材料实验，可采用多条件对照思路，避免单一时间点或单一表征指标造成结论偏差。
|
实验维度 |
建议研究内容 |
主要目的 |
|---|---|---|
|
介质对照 |
超纯水、PBS、候选无磷酸盐缓冲液 |
区分介质效应 |
|
磷酸盐浓度 |
设置不同磷酸盐水平 |
研究浓度依赖性 |
|
孵育时间 |
设置早期、中期及长期时间点 |
观察结构变化动力学 |
|
颗粒尺寸 |
比较不同尺寸或粒径分布 |
研究尺寸影响 |
|
表面修饰 |
比较未包覆与包覆样品 |
评价保护作用 |
|
多指标检测 |
BTC、Fe、PXRD、形貌等 |
建立完整稳定性证据 |
对于每组样品，建议设置独立重复，并记录温度、pH、材料浓度、缓冲液组成、液固比及取样处理方式。
尤其需要注意，PBS浓度的表达方式可能不同。有些研究报告总磷酸盐浓度，有些报告缓冲液的稀释倍数，因此跨文献比较时应首先核对实际组成。
十三、MIL-100(Fe)在PBS稳定性研究中的常见误区
误区：颗粒形貌没有变化，就说明框架稳定。
实际情况：颗粒可能在保持外部轮廓的同时，内部已经形成无定形铁磷酸盐相。
误区：溶液中铁离子浓度低，就代表材料没有降解。
实际情况：铁可能保留于固相，而BTC配体已大量释放。
误区：PBS的pH接近中性，因此不会破坏MIL-100(Fe)。
实际情况：磷酸盐本身具有竞争配位能力，结构变化不一定需要强酸或强碱环境。
误区：表面包覆一定能够完全阻止PBS降解。
实际情况：部分包覆层只能延缓磷酸盐进入框架，具体效果需要结合BTC释放和晶体结构测试判断。
十四、总结与技术展望
MIL-100(Fe)作为具有多孔结构和功能化潜力的铁基金属有机框架材料，在生物医学及纳米材料研究中具有应用价值，但其在磷酸盐缓冲液中的结构稳定性是需要重点关注的问题。
MIL-100(Fe)在PBS中的变化主要与磷酸盐和铁配位中心之间的相互作用有关，可能伴随BTC配体释放、晶体结构无序化以及次生含铁磷酸盐相形成。
影响这一过程的主要因素包括磷酸盐浓度、颗粒尺寸、接触时间、温度、pH、材料缺陷以及表面功能化状态。
在稳定性评价中，应结合PXRD、Raman、FTIR、HPLC、ICP及形貌分析等多种技术，综合判断材料是否保留原有框架结构。
对于瑞禧生物MIL-100(Fe)相关材料的技术介绍，可重点围绕磷酸盐竞争配位、框架结构变化、BTC释放与铁物种转化、表面稳定化策略及药物递送应用展开，突出铁基MOF在复杂水相环境中的结构行为与研究意义。
参考文献
1. New insights into the degradation mechanism of metal-organic frameworks drug carriers，Scientific Reports，2017。研究MIL-100(Fe)在磷酸盐环境中的降解机制、粒径影响及结构变化。
2. Acetic Acid-Modulated Room Temperature Synthesis of MIL-100(Fe) Nanoparticles for Drug Delivery Applications，International Journal of Molecular Sciences，2023。包含PBS中BTC释放及表面包覆影响的实验结果。
3. Boosting Protein Encapsulation through Lewis-Acid-Mediated Metal–Organic Framework Mineralization，Chemistry of Materials，2022。讨论磷酸盐环境下的框架变化与蛋白质释放。
4. Biochemical transformations of inorganic nanomedicines in buffers, cell cultures and organisms，Nanoscale，2023。综述无机纳米材料在缓冲液及生物介质中的化学转化。
5. Core–Shell Structures of Bioactive Glass Nanoparticles and MIL-100 Framework: Properties and Biomedical Applications，2026。包含MIL-100(Fe)在DPBS中的结构变化及铁释放分析。