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南开大学丁丹/齐迹​Angew:分子内运动可大幅提高光声成像性能并助力实现精确的成像引导外科手术

来源:高分子科学前沿|

发表时间:2021-07-28

点击:3483

光声成像是一种在生物医学领域具有巨大应用前景的新兴成像技术。而在这一技术中,发展能够大幅提高光声转换性能并且不影响荧光性质的多功能成像策略意义重大,但同时也极具挑战。近期,南开大学丁丹、齐迹和北京理工大学郑小燕等人报道了一种新型科学现象,即活跃的分子内运动能够通过特异性增加热-声转换效率来提高光声信号,并且还能通过聚集诱导发生原理来提高荧光性能。基于这一现象,同时具有高光声信号和荧光亮度的TPA-TQ3纳米颗粒能够助力实现精确的成像引导外科手术,为设计可放大光声效应的策略提供了新的思路。相关工作以“Boosting Photoacoustic Effect via Intramolecular Motions Amplifying Thermal-to-Acoustic Conversion Efficiency for Adaptive Image-Guided Cancer Surgery”为题发表在Angewandte Chemie International Edition。


【文章要点】


一、TPA-TQ的设计与合成


为了获得具有近红外吸收特性的低带隙发色团,研究利用三苯胺(TPA)和苯并吡嗪衍生物(thiadiazoloquinoxaline,TQ)构建了一系列供体-受体(D-A)型共轭聚合物TPA-TQ(图1)。在这其中,含有四苯乙烯取代基团的TPA-TQ3具有严重扭曲结构,可实现高强度的分子内运动。理论计算和X射线衍生分析都发现,聚集状态下的分子几何能够深刻影响分子间的相互作用,对于TPA-TQ3来说,随着分子间的距离和空间增大,其分子内运动会加剧,并最终改变其光物理性质和光学成像性能。


图1 分子内运动影响光声和荧光性能


二、TPA-TQ3纳米颗粒的光声性能


作者为了研究TPA-TQ在聚集状态下的光学成像性能,通过纳米沉积的策略将TPA-TQ3掺杂进水溶性纳米颗粒中构建了TPA-TQ3纳米成像平台。研究发现,加强分子内运动可提高TPA-TQ3纳米颗粒的光声和荧光强度。进一步对材料的光热和光声转变进行调查则证明了活跃的分子内运动能够增大Grüneisen参数和热-声转换效率(图2)。


图2 TPA-TQ3纳米颗粒的光声性能研究


三、成像引导的癌症外科手术


为了验证TPA-TQ3纳米颗粒作为成像引导工具的作用,作者对荷瘤小鼠进行了外科手术。TPA-TQ3纳米颗粒在术前可展现荧光和光声成像,从而以高对比度的图像质量定位肿瘤位置,而在术中,荧光成像又可以描绘微小的剩余肿瘤。因此,TPA-TQ3纳米颗粒可在整场手术过程中助力实现精确的肿瘤清除(图3)。


图3 荷瘤小鼠的光声和荧光成像

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