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【Angew.Chem.】三组分CuTD-COF：延长寿命、降低激子结合能、提升ROS生成效率 ​

文章标题：Photogenerated Radical Amplified D–A–D Metal‐Covalent Organic Frameworks for Highly Efficient Photodynamic Tumor Therapy
通讯作者：Prof. Jin Wang 文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202520867

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文章概要 ​

研究背景 ​

光动力治疗（Photodynamic Therapy, PDT）作为一种新兴的肿瘤治疗方式，因其高选择性、低副作用和微创性而备受关注。其核心机制是光敏剂吸收特定波长的光后，将能量转移给氧分子，生成包括羟基自由基（·OH）、超氧自由基（O₂•−）和单线态氧（¹O₂）在内的活性氧（ROS），从而诱导肿瘤细胞凋亡。然而，传统光敏剂在自由基生成效率和稳定性方面存在瓶颈，限制了PDT的临床应用。

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材料设计与创新 ​

本文提出了一种新型的三组分金属共价有机框架（Metal-Covalent Organic Frameworks, MCOFs），即CuTD-COF。研究团队通过合理设计，将电子供体–受体–供体（D–A–D）结构引入MCOFs体系。与传统的两组分D–A型MCOFs（CuT-COF）相比，CuTD-COF在结构和功能上实现了显著突破：

  • 延长激发态寿命：D–A–D结构提供了多通道电子转移路径，增强了层内电荷传输。

  • 降低激子结合能：有效促进光生载流子的分离与迁移，减少复合几率。

  • 增强光收集能力：窄带隙设计提升了光吸收效率。

    这些特性共同作用，显著提高了ROS的生成效率。

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合成与表征 ​

研究团队通过三组分缩合反应合成了CuTD-COF，使用Cu₃(PyCA)₃作为电子受体单元，结合2,5-二(5-甲基-2-噻吩基)（BBT）和2,5-二甲硫基-1,4-苯二胺（BBD）作为电子供体单元。材料在溶剂热条件下结晶，产率高达80%。通过粉末X射线衍射（PXRD）和结构模拟，确认了其高结晶性和稳定性。

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光物理与机理分析 ​

CuTD-COF在光照下展现出独特的光物理行为：

  • 多电子转移路径：D–A–D结构促进了电荷分离与迁移。
  • 能带调控：窄带隙设计增强了光吸收与载流子寿命。
  • 氧吸附能优化：不同D–A–D结构的能带特性与氧分子吸附能差异，决定了ROS生成效率。

理论计算与实验结果一致表明，CuTD-COF在能量转移与ROS生成方面优于CuT-COF。

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生物学性能 ​

在体外实验中，CuTD-COF展现出强烈的光动力细胞毒性，能够有效诱导肿瘤细胞凋亡。在HCT116异种移植瘤模型中，CuTD-COF表现出显著的抗肿瘤效果。其ROS生成能力不仅在细胞水平得到验证，也在动物实验中展现出优异的治疗效果。

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机制探讨 ​

研究揭示了CuTD-COF在光照下的ROS生成机制：

  1. 光激发后，CuTD-COF通过能带激发产生¹O₂；
  2. 同时，O₂被还原为O₂•−；
  3. O₂•−进一步结合电子生成H₂O₂，分解为·OH；
  4. 这些高毒性的ROS共同作用，导致DNA损伤与脂质过氧化，从而直接杀死癌细胞。

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结论与展望 ​

本文成功构建了三组分D–A–D结构的CuTD-COF，突破了传统两组分MCOFs在光动力治疗中的局限。其优势包括：

  • 延长激发态寿命；
  • 提升光吸收与载流子分离效率；
  • 显著增强ROS生成能力；
  • 在体内外均展现出优异的抗肿瘤效果。

这一研究不仅丰富了MCOFs的结构设计策略，也为高效光动力肿瘤治疗提供了新的材料平台。未来，进一步探索多组分MCOFs的设计与应用，有望推动精准癌症治疗的发展。