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  近紅外（NIR）熒光成像指導(dǎo)的癌癥手術(shù)已經(jīng)被用于臨床。目前批準(zhǔn)臨床使用的成像試劑都是有機(jī)分子探針，如亞甲基藍(lán)（MB）和吲哚菁綠（ICG），但是這些材料存在穩(wěn)定性差，容易猝滅和代謝過快等問題。因此，需要開發(fā)高亮度和穩(wěn)定的NIR發(fā)光材料。發(fā)光亮度可以定義為摩爾消光系數(shù)和發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）的乘積，要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的亮度需要同時提高二者的數(shù)值。然而，摩爾消光系數(shù)和發(fā)光量子產(chǎn)率通常是矛盾的，因此很難實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的亮度。對于有機(jī)分子，共軛的平面結(jié)構(gòu)通常具有很強(qiáng)的吸收能力，但在聚集狀態(tài)下發(fā)光易被猝滅，而扭曲的非平面結(jié)構(gòu)則通常表現(xiàn)出相反的現(xiàn)象。為了解決傳統(tǒng)熒光染料的高濃度猝滅和穩(wěn)定性差等問題，唐本忠院士發(fā)現(xiàn)了一種新型的光物理現(xiàn)象，即聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE），其在很多領(lǐng)域都表現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。四苯基乙烯（TPE）是一個被廣泛研究的AIE基元，通常實(shí)現(xiàn)較高的PLQY。然而，這類分子由于結(jié)構(gòu)非常扭曲，分子的共軛性大大降低，因此，其摩爾消光系數(shù)通常比較小（< 2 × 10⁴ M^-1 cm^-1），不利于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的發(fā)光亮度。

圖1. “蜻蜓狀”的新型近紅外AIE分子同時具有高摩爾消光系數(shù)和高熒光量子產(chǎn)率（最優(yōu)發(fā)光亮度）用于精準(zhǔn)手術(shù)導(dǎo)航。

  如圖1所示，香港科技大學(xué)唐本忠院士和南開大學(xué)丁丹教授最近報道了一種新型“蜻蜓狀”的NIR AIE分子，可以實(shí)現(xiàn)最佳的熒光亮度（同時具有高摩爾吸收系數(shù)和PLQY），并用于精確的NIR熒光成像指導(dǎo)癌癥手術(shù)。該分子具有類似“蜻蜓”的結(jié)構(gòu)，即整個分子是比較平面剛性的結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)含有的可振動取代基則像“翅膀”一樣。與TPE結(jié)構(gòu)不同，該分子具有較好的共軛性，保證了強(qiáng)的吸收能力，可振動單元則賦予了材料顯著的AIE性質(zhì)。另外，根據(jù)Jablonski能級圖，單線態(tài)的非輻射躍遷、三線態(tài)磷光和活性氧產(chǎn)生等非熒光過程都被有效抑制，可以實(shí)現(xiàn)最大化的輻射躍遷，即熒光發(fā)射。

圖2. 近紅外AIE分子組裝成納米粒子，具有很好的穩(wěn)定性和發(fā)光亮度

  通過納米沉降方法制備得到的AIE納米顆粒，具有非常好的穩(wěn)定性和熒光發(fā)射。其發(fā)光亮度（摩爾消光系數(shù)與PLQY的乘積）甚至好于臨床使用的MB和ICG（圖2）。由于AIE納米顆粒的高亮度，用強(qiáng)度很低的激發(fā)光就可以實(shí)現(xiàn)體外細(xì)胞成像。小鼠體內(nèi)的腫瘤成像實(shí)驗(yàn)表明該材料可以在低激發(fā)功率下很好地對腫瘤部位進(jìn)行成像追蹤。

圖3. AIE納米粒子用于腫瘤手術(shù)導(dǎo)航，可以大大提高微小腫瘤（< 0.5 mm）的切除率

  該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了該AIE納米粒子在腫瘤手術(shù)導(dǎo)航中的應(yīng)用。如圖3所示，在手術(shù)中，通過NIR熒光成像可以精確描繪0.5毫米以下的微小腫瘤結(jié)節(jié)，有助于在體內(nèi)照亮腫瘤部位，利用該探針進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航可以大大微小腫瘤的切除率，提高手術(shù)效果。該項(xiàng)研究工作對開發(fā)同時具有高摩爾消光系數(shù)和高發(fā)光量子產(chǎn)率的有機(jī)NIR熒光探針具有一定的指導(dǎo)意義，有望用于臨床轉(zhuǎn)化。

  以上成果以“Dragonfly-shaped near-infrared AIEgen with optimal fluorescence brightness for precise image-guided cancer surgery”為題發(fā)表在Biomaterials上。論文第一作者為香港科技大學(xué)齊跡博士和南開大學(xué)博士研究生段星辰，通訊作者為香港科技大學(xué)唐本忠院士和南開大學(xué)丁丹教授。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961220302829