【Biomaterials】1064 nm 激发光热转换效率超过 40%，通过操纵分子平面性提高摩尔吸光系数、NIR-II 亮度和光热效应

简介

本研究提出了一种新的侧链杂原子取代工程策略，通过修改分子平面性同时提高摩尔吸收系数（ε）、荧光量子产率（QY）和光热转换效率（PCE），以开发高性能的 NIR-II 光热剂（PTAs），用于肿瘤光治疗。

摘要

NIR-II 荧光成像引导的光热疗法（PTT）提供了一种非侵入性且可控的治疗深部肿瘤的手段。然而，开发具有高ε、QY 和 PCE 的 NIR-II PTAs 仍面临挑战。本文提出一种侧链杂原子取代工程策略，通过增加氧原子数量优化分子平面性。理论计算表明，DO 2 TIC 具有更小的能隙和更紧密的堆积，ε值达到 2.61 × 10^5 M^-1 cm^-1。DO 2 TIC 纳米颗粒在 NIR-II 成像引导的 PTT 中表现出高信噪比和有效的肿瘤消除能力。

研究结果与讨论

分子设计与表征

采用供体/侧链工程策略构建了 DTIC、DO 1 TIC 和 DO 2 TIC 三种 A-D-A 型分子。增加侧链中的氧原子数量，增强供体-受体相互作用和分子平面性。紫外-可见-近红外吸收和荧光光谱表明，DO 2 TIC 具有显著的红移和高ε值，分别为 2.61 × 10^5 M^-1 cm^-1，优于其对应的 DTIC 和 DO 1 TIC。

纳米颗粒的光物理性质

为了提高生物适用性，利用 F 127 共聚物包裹三种疏水性荧光染料，制备纳米颗粒。DO 2 TIC 纳米颗粒在 NIR-II 区域的吸收和发射光谱展现出明显的红移和强吸收，在 1064 nm 激光照射下表现出高温度升高和 PCE 值（41.1%）。在生物相容性和水分散性方面，DO 2 TIC 纳米颗粒表现出优异的稳定性。

理论计算

采用密度泛函理论（DFT）计算分子的电子分布和几何结构。结果表明，DO 2 TIC 的分子平面性更好，能隙逐渐减小，吸收和发射波长红移。通过晶体模型模拟，发现 DO 2 TIC 在聚集态下的堆积距离最短，增强了分子间相互作用，提高了ε、QY 和 PCE。

体外光热疗法评估

在 A 549 细胞实验中，DO 2 TIC 纳米颗粒在 808 nm 和 1064 nm 激光照射下表现出高效的细胞杀伤能力。即使在 4 mm 鸡胸肉组织的覆盖下，DO 2 TIC 纳米颗粒在 1064 nm 激光照射下也能有效杀死接近 100%的癌细胞。

体内 NIR 成像与光热疗法

DO 2 TIC 纳米颗粒在小鼠体内实验中展示了高信噪比的 NIR-II 血管成像和优异的肿瘤消除能力。在 1064 nm 激光照射下，小鼠背部血管的信噪比达到 13.50，成像分辨率为 0.45 mm。DO 2 TIC 纳米颗粒在深部肿瘤治疗中表现出优异的效果。

结论

通过侧链杂原子取代工程策略，本研究显著提高了 NIR-II PTAs 的光物理性能，特别是 DO 2 TIC 纳米颗粒在光热治疗中的潜力。该研究为开发高性能 NIR-II 光治疗系统提供了新视角。

参考文献

Song, C.; Yang, S.; Chi, Y.; Zhao, T.; Zhang, R.; Li, H.; Wu, J.; Zhang, J.; Lam, J. W. Y.; Jia, Q.; Tang, B. Z.; Wang, Z. Rationally Manipulating Molecular Planarity to Improve Molar Absorptivity, NIR-II Brightness, and Photothermal Effect for Tumor Phototheranostics. Biomaterials 2025, 318, 123113. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2025.123113.