李振教授团队Adv. Healthc. Mater.综述：光响应AIE材料的生物医学应用

点击蓝字关注我们

当今，纳米生物医学材料在疾病筛查、早期诊断和治疗中发挥了重要作用，其中分子成像技术更是快速发展，有助于疾病的精确诊断和合理治疗。有机材料由于其良好的生物相容性、结构多样性、易于修饰性以及良好的空间分散性和药代动力学特性等优点，在生物医学材料中占有重要地位。然而，在聚集状态下，许多传统有机染料与稀溶液中的性能相比，只有减弱甚至猝灭的荧光发射。这被称为“聚集诱导猝灭（ACQ）效应”。一般而言，具有大芳香环和平面结构的传统有机染料较易受到ACQ效应的影响，这可能是因为它们在聚集状态下具有过强的π-π堆积相互作用。这一现象不利于有机染料的生物应用，尤其是那些发射波长在长波长区的化合物。
唐本忠院士团队在2001年首次提出聚集诱导发光（AIE）概念，为上述难题的解决提供了新思路。AIE材料通常在溶液中无发射或弱发射，但在聚集态或固态下有强发射，而传统发光材料的激子（S_n或S₁）能量在聚集态或固态下受ACQ效应影响易于以能量转移（ET）和电荷转移（CT）途径通过非辐射衰变过程耗散（图1A）。除了聚集态下的高发光效率外，AIE材料还表现出大的Stokes位移和良好的生物相容性等优点，因此，它们被广泛应用于生物医学材料的研究中。尽管在过去的二十年中，研究人员已经发表了许多关于AIE材料的综述论文，集中总结了AIE分子设计、发光机制和相关应用，涵盖了从光电器件到生物研究的各个主题。但是，除了关于AIE材料作为光敏剂（PS）的应用外，对于光响应AIE材料在生物研究中应用的综述仍较少。近日，李振教授课题组在Advanced Healthcare Materials上面发表了标题为“Aggregation-Induced Emission Luminogens with Photoresponsive Behaviors for Biomedical Applications”的综述文章。在这篇文章中，重点介绍了光响应AIE发光体（AIEgen）的生物学应用。
光由于其高空间分辨率、可控处理时间、和可远程控制的特点，被视为开发刺激响应材料的一种重要刺激源。同时，AIEgen聚集态或固态下激发态激子不易被猝灭，而许多光化学反应又往往发生在激发态（S_n和T_n）下（图1B），因此，AIE现象的发现，有利于固态下具有光刺激响应性质的材料的开发。此外，AIE材料固态下的高发光效率也赋予了材料光照前后明显不同的光物理性质，进一步拓宽了其实际应用。近年来，越来越多的光响应AIE材料被开发出来。该综述首先基于不同的化学结构，将应用于生物医药的AIEgen分为小分子、生物共轭体以及聚合物予以简单介绍（图2）。随后，文章介绍了设计合成光响应AIE材料的三种不同策略：将具有AIE性质的核与特定光响应基团相结合，直接使用本身可进行光化学反应的AIEgen，以及使用那些可在光照下发生微小构型变化的AIEgen（图3）。在文章的第四部分，作者重点介绍了光响应AIE材料的生物应用，包括光激活生物成像、超分辨成像、光诱导药物释放应用，以及同时具有光致变色性质的光动力治疗应用，和细菌识别与光诱导杀菌应用（图4-图8）。在文章最后，作者对该领域进行了简要的总结，并展望了光响应AIE材料的进一步生物医药应用。文章指出，要实现基于AIE材料的药物释放系统的实际应用，需要解决材料的毒性以及生物可降解性，而使用可生物降解的聚合物对材料进行包裹形成纳米颗粒可能可以解决这一难题。此外，还可通过对纳米颗粒尺寸进行调控以及改进材料的化学结构予以改善。目前，可对长波长光乃至近红外光产生响应的光响应AIE材料还比较少，对这类材料的开发仍需进一步的探索和设计。总而言之，对光响应分子设计和应用的大量研究工作的投入，将为具有精准治疗功效的生物医药材料开发提供一个充满希望的方向。 
图1 简化的光物理过程（A）、可能的光反应途径（B）以及经典的具有AIE性质的核（C） 
图2 常见的几类用于生物医药的AIE材料
 
图3 具有光响应性质的AIE材料及其光响应过程

 
图4 用于光激活成像的AIE材料
 
图5 用于超分辨成像的AIE材料 
图6 用于光诱导药物释放的AIE材料
 
图7 具有光致变色性质的光动力治疗应用
 
图8 具有细菌识别和光诱导杀菌功能的AIE材料相关研究结果发表在《Adv. Healthc. Mater.》 (Adv. Healthc. Mater. DOI: 10.1002/adhm.202101169)上。天津大学分子聚集态科学研究院博士研究生王家强为本文第一作者，共同通讯联系人为天津大学生命科学学院张丽瑶副教授和李振教授。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adhm.202101169

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。