香港科技大学唐本忠院士和南开大学丁丹教授：具有最优发光亮度的近红外AIE材料用于精准手术导航
近红外（NIR）荧光成像指导的癌症手术已经被用于临床。目前批准临床使用的成像试剂都是有机分子探针，如亚甲基蓝（MB）和吲哚菁绿（ICG），但是这些材料存在稳定性差，容易猝灭和代谢过快等问题。因此，需要开发高亮度和稳定的NIR发光材料。发光亮度可以定义为摩尔消光系数和发光量子产率（PLQY）的乘积，要实现最优化的亮度需要同时提高二者的数值。然而，摩尔消光系数和发光量子产率通常是矛盾的，因此很难实现最优化的亮度。对于有机分子，共轭的平面结构通常具有很强的吸收能力，但在聚集状态下发光易被猝灭，而扭曲的非平面结构则通常表现出相反的现象。为了解决传统荧光染料的高浓度猝灭和稳定性差等问题，唐本忠院士发现了一种新型的光物理现象，即聚集诱导发光（AIE），其在很多领域都表现出了很好的应用前景。四苯基乙烯（TPE）是一个被广泛研究的AIE基元，通常实现较高的PLQY。然而，这类分子由于结构非常扭曲，分子的共轭性大大降低，因此，其摩尔消光系数通常比较小（< 2 × 104 M-1 cm-1），不利于实现最优的发光亮度。
图1. “蜻蜓状”的新型近红外AIE分子同时具有高摩尔消光系数和高荧光量子产率（最优发光亮度）用于精准手术导航。
如图1所示，香港科技大学唐本忠院士和南开大学丁丹教授最近报道了一种新型“蜻蜓状”的NIR AIE分子，可以实现最佳的荧光亮度（同时具有高摩尔吸收系数和PLQY），并用于精确的NIR荧光成像指导癌症手术。该分子具有类似“蜻蜓”的结构，即整个分子是比较平面刚性的结构，其两侧含有的可振动取代基则像“翅膀”一样。与TPE结构不同，该分子具有较好的共轭性，保证了强的吸收能力，可振动单元则赋予了材料显著的AIE性质。另外，根据Jablonski能级图，单线态的非辐射跃迁、三线态磷光和活性氧产生等非荧光过程都被有效抑制，可以实现最大化的辐射跃迁，即荧光发射。
图2. 近红外AIE分子组装成纳米粒子，具有很好的稳定性和发光亮度
通过纳米沉降方法制备得到的AIE纳米颗粒，具有非常好的稳定性和荧光发射。其发光亮度（摩尔消光系数与PLQY的乘积）甚至好于临床使用的MB和ICG（图2）。由于AIE纳米颗粒的高亮度，用强度很低的激发光就可以实现体外细胞成像。小鼠体内的肿瘤成像实验表明该材料可以在低激发功率下很好地对肿瘤部位进行成像追踪。
图3. AIE纳米粒子用于肿瘤手术导航，可以大大提高微小肿瘤（< 0.5 mm）的切除率
该团队进一步研究了该AIE纳米粒子在肿瘤手术导航中的应用。如图3所示，在手术中，通过NIR荧光成像可以精确描绘0.5毫米以下的微小肿瘤结节，有助于在体内照亮肿瘤部位，利用该探针进行手术导航可以大大微小肿瘤的切除率，提高手术效果。该项研究工作对开发同时具有高摩尔消光系数和高发光量子产率的有机NIR荧光探针具有一定的指导意义，有望用于临床转化。
以上成果以“Dragonfly-shaped near-infrared AIEgen with optimal fluorescence brightness for precise image-guided cancer surgery”为题发表在Biomaterials上。论文第一作者为香港科技大学齐迹博士和南开大学博士研究生段星辰，通讯作者为香港科技大学唐本忠院士和南开大学丁丹教授。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961220302829
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