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【Angew.Chem.】香港大学刘俊治|光热效率高达83.6%!原子精准BN掺杂开壳层材料,实现肿瘤高效光热治疗

【Angew.Chem.】香港大学刘俊治|光热效率高达83.6%!原子精准BN掺杂开壳层材料,实现肿瘤高效光热治疗#

文章标题:Engineering BN-Doped Open-Shell Polycyclic Hydrocarbons for Enhanced Photothermal Conversion and Therapy.

通讯作者:Huan Luo, Gang Liu, Junzhi Liu

文章链接https://doi.org/10.1002/anie.9715423

文章概要#

在光热治疗(PTT)领域,开发兼具高生物降解性与高光热转化效率(PCE)的有机光热剂(PTAs)一直是科学界的研究难点。传统无机材料存在潜在毒性,而普通碳基有机物由于能隙较宽,光热表现往往不尽如人意。近日,刘俊治教授团队通过原子精准的BN掺杂策略,成功制备了一类新型开壳层多环芳烃(PHs)。研究人员通过协同整合1,2-BN单元与自由基工程,在扩展的π\pi共轭骨架中实现了高效的电子离域。实验结果显示,其中的四自由基物种(BN-Tetra)在808 nm近红外光照射下,光热转化效率高达83.6%。该材料表现出卓越的稳定性与显著的肿瘤杀伤效能,为设计下一代高效、低毒的有机光热治疗药物提供了全新的结构思路。

引言#

肿瘤的光热治疗主要依赖光热剂将吸收的光能转化为热能,从而通过局部高温实现对癌细胞的物理清除。然而,目前广泛使用的无机光热剂在体内难以降解,长期滞留可能引发慢性炎症或毒性风险。相比之下,有机碳基材料具备更好的生物相容性,但其较低的光热转化效率限制了临床应用。科学界近年来发现,具有开壳层自由基特性的多环芳烃能够通过非辐射跃迁显著增强光热效应。通过在碳骨架中引入缺电子的硼(B)和富电子的氮(N)原子,可以有效地调节分子的电荷分布与自旋态。基于此,研究团队旨在探索如何通过原子级精准的BN掺杂来优化开壳层分子性质,进而打破有机光热剂效率低下的瓶颈。

FIGURE 1 (a) Typical organic PTAs based on donor–acceptor systems. (b) Previously reported non-bonded BN-doped polycyclic hydrocarbon for PTT. (c) Our strategy. (d) Schematic illustration of water-dispersed radicaloid nanoparticles (BN-Dira and BN-Tetra) with boosted PCE for enhanced PTT (This work). (e) Comprehensive comparison of the PCE based on organic PTAs in recent years.#

主要实验及结论#

研究人员首先从分子设计入手,通过巧妙的合成路径构建了两种不同自由基特性的分子,即BN-DiraBN-Tetra。如图1所示,这两个分子以扩展的π\pi共轭骨架为核心,通过在特定位点引入1,2-BN单元,精确调制了分子的内在电荷排布。硼原子的空轨道与氮原子的孤对电子在共轭体系中形成了互补的推拉电子效应,这种协同整合作用极大地增强了分子的电子离域能力,从而为其开壳层特性的稳定存在提供了保障。

FIGURE 2 (a) Synthetic routes toward two polycyclic hydrocarbons BN-Dira and BN-Tetra. Reaction conditions: a: HI, toluene, 1100C, 12 h, 50%; b: BBr3, MesMgBr, toluene, 110°C, 12 h, 30%; c: (2-Formylphenyl)boronic acid, Pd(PPh3)4, K2CO3, dioxane/H2O, 24 h, 50%; d: (1) MesMgBr, THF, (2) BF3•OEt2, DCM, 80%; e: t-BuOK, THF, 80%; f: 2-(4,4,5,5-Tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl)isophthalaldehyde, Pd(OAc)2, SPhos, K3PO4, dioxane/H2O, 900C, 12 h, 40%. (b) Single-crystal structure and bond length of BN-Dira. (c) Single-crystal structure and bond length of BN-Tetra.#

在物理性质表征阶段,电子顺磁共振(ESR)测试揭示了这两种分子鲜明的自由基特征。实验数据表明,BN-Dira表现出显著的双自由基特性,其自由基指数y0y_0达到0.74;而更为复杂的BN-Tetra则具有独特的四自由基性质,其自旋指数分别为y0=0.43y_0 = 0.43y1=0.30y_1 = 0.30。这种高阶自由基特性赋予了材料在近红外区(NIR)极强的吸光能力。通过理论计算与实验光谱分析发现,由于BN单元的引入,分子的单重态-三重态能隙被有效压缩,这种窄能隙结构不仅有利于捕获低能量的近红外光子,更促进了激发态能量通过振动弛豫转化为热能。

FIGURE 3 (a) Calculated HOMA values, (b) calculated NICS (0) values, (c) the diamagnetic (clockwise), and paramagnetic (counterclockwise) ring currents under a magnetic field parallel to the z-axis are highlighted by red and blue arrows in AICD plots, and (d) calculated spin distribution map of BN-Dira and BN-Tetra.#

FIGURE 4 VT-1H-NMR spectra of (a) BN-Dira and (b) BN-Tetra in the aromatic region. VT-EPR spectra of the microcrystalline samples of (c) BN-Dira and (d) BN-Tetra. (e) Absorption spectra of two PHs in dichloromethane solution (10 µM). (f) Cyclic voltammetry measurements of two PHs.#

FIGURE 5 (a) Temperature–time profiles of BN-Dira NPs (0.50 mg/mL) under 808 nm laser irradiation with varying power. (b) Temperature–time profiles of BN-Dira NPs at different concentrations under 808 nm laser (0.8 W/cm2) irradiation. (c) Photothermal stability monitoring of BN-Dira NPs (0.50 mg/mL) under 808 nm laser irradiation (0.8 W/cm2). (d) Temperature–time profile of BN-Dira NPs aqueous solution (0.50 mg/mL) after 5 min of 808 nm laser (0.8 W/cm2) irradiation and subsequent cessation. (e) Calculation of photothermal conversion efficiency of BN-Dira NPs. (f) Infrared thermal imaging of BN-Dira NPs at various concentrations under 808 nm laser irradiation (0.8 W/cm2). (g) Infrared thermal imaging of BN-Dira NPs (0.50 mg/mL) under 808 nm laser irradiation at different power levels.#

核心的光热性能评估在得到了详尽展示。研究人员将制备好的BN掺杂分子封装在生物相容的纳米胶束中,并在808 nm激光照射下监测温度变化。令人振奋的是,四自由基物种BN-Tetra表现出了惊人的产热能力,其光热转化效率最终计算为83.6%,这一数值远高于目前报道的大多数纯有机光热剂。此外,在经历多次激光照射循环后,溶液的升温曲线依然保持高度一致,充分证明了该分子在极端光照条件下的优异光化学稳定性,消除了临床治疗中常见的有机物易光漂白的顾虑。

FIGURE 6 (a) Cytotoxicity of BN-Dira NPs and (b) BN-Tetra NPs toward 4T1 cells under 808 nm laser irradiation (1.0 W/cm2), and (c) DAPI/PI staining images of 4T1 cells subjected to different treatments. The data are shown as the mean ± SD from a representative experiment of two to three independent experiments with n = 4 biologically independent samples per group (a, b). Statistical significance was calculated via unpaired Student’s t test (two tailed) comparing laser off vs. laser on at the same material concentration, with **** indicating p < 0.0001.#

FIGURE 7 (a) Temperature change curves of tumor regions in mice under 808 nm laser irradiation (1.0 W/cm2) after different treatments over 96 h. (b) Temperature change curves of tumor regions in mice under 808 nm laser irradiation (1.0 W/cm2) after different treatments, monitored continuously for 5 min. (c) Photothermal imaging of tumor regions in mice under 808 nm laser irradiation (1.0 W/cm2) after different treatments over 96 h. (d) Photothermal imaging of tumor regions in mice under 808 nm laser irradiation (1.0 W/cm2) after different treatments, monitored continuously for 5 min. (e) Temperature change curve of tumor regions in mice injected with PBS under 808 nm laser irradiation (1.0 W/cm2). (f) Temperature change curve of tumor regions in mice injected with BN-Dira NPs under 808 nm laser irradiation (1.0 W/cm2). (g) Temperature change curve of tumor regions in mice injected with BN-Tetra NPs under 808 nm laser irradiation (1.0 W/cm2).#

最后的生物学实验进一步印证了该材料的临床应用潜力。体外细胞实验证实,BN-Tetra纳米颗粒在激光诱导下能迅速通过高温引发癌细胞凋亡,而无光照组则表现出极佳的细胞安全性。在小鼠肿瘤模型中,研究团队通过静脉注射给药,并在肿瘤区域施加精准的近红外照射。实验结果显示,治疗组的肿瘤在短时间内被完全消除,且小鼠的体重与各项生理指标均未出现异常。这一结果强有力地证明了原子精准BN掺杂策略在实现高效肿瘤铲除的同时,能保持极低的系统性毒副作用。

总结及展望#

该研究通过创新的分子工程技术,成功将BN掺杂与开壳层自由基设计相结合,实现了有机光热剂效率的飞跃。这种原子级精准调节的方法,不仅使BN-Tetra获得了高达83.6% 的光热转化效率,更揭示了BN单元在促进电子离域与稳定自由基态方面的关键作用。该成果不仅丰富了硼氮杂环化学的理论基础,也为生物医学领域提供了一类极具潜力的诊疗一体化工具。展望未来,此类开壳层有机分子有望通过进一步的功能化改性,在磁共振成像、多模态诊疗以及光驱动纳米器件等前沿领域发挥更大的作用,为人类精准攻克癌症等重大疾病贡献更多化学力量。

【Angew.Chem.】香港大学刘俊治|光热效率高达83.6%!原子精准BN掺杂开壳层材料,实现肿瘤高效光热治疗
https://fuwari.vercel.app/posts/fluorapid/2026/06-07月/26-0715/
作者
Fluolab
发布于
2026-07-13
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0