近紅外二區(qū)光熱抗菌治療：調(diào)控納米粒分子間的電荷轉(zhuǎn)移

本文要點：隨著對NIR-II領(lǐng)域研究的深入，近年來人們嘗試設(shè)計出具有高熱轉(zhuǎn)化率的NIR-II光熱劑（PTA）。然而，盡管人們進行了大量的嘗試，但目前在這方面的研究進展卻比較緩慢。作者課題組介紹了一種可以通過改變不同的電荷供體和受體來改變納米粒的光吸收值，讓其吸收峰可以從NIR-I紅移到NIR-II 。值得注意的是，當(dāng)電荷供配體變?yōu)槠p和四氰代對二亞甲基苯醌時，組成的納米粒最大吸收峰在1040 nm，光熱轉(zhuǎn)化率可以達到42%。同時，納米粒具有對革蘭氏陽性細菌和革蘭氏陰性細菌的抗菌作用。

 

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通過前期的篩選，作者使用目前市場上售賣的電荷供配體，制備出三種不同的納米粒，并進行后續(xù)實驗（圖1）。

圖1：電荷轉(zhuǎn)移納米粒的光熱效應(yīng)圖。

 

首先，作者制備出電荷轉(zhuǎn)移的納米粒，并在其基礎(chǔ)上修飾PEG-2000增強溶解性（圖2A）。電荷供體選擇上，作者選擇了常見的冠烯(COR)、苝(PER)和二苯并四硫芴(DBTTF)，電荷受體則選擇了四氰喹啉二甲烷(TCNQ)。電鏡下可見，由PER-TCNQ組成的納米粒可以在水中均勻分布，平均粒徑為164 nm（圖2B）。通過計算，我們發(fā)現(xiàn)三種不同組合納米粒的能隙分別為COR-TCNQ：1.41 eV；PER-TCNQ：1.22 eV；DBTTF-TCNQ：1.08 eV（圖2C）。電荷轉(zhuǎn)移供受體之間的能量差距會對分子的吸光能力產(chǎn)生影響。于是，作者分別對四種材料和由其組成的三種納米粒測定吸光譜圖（圖2D）。結(jié)果如作者預(yù)測的那樣，四種材料單獨的吸光譜圖在500 nm以上均無吸光曲線，但當(dāng)其組成納米粒后，均發(fā)生明顯的吸收紅移，COR-TCNQ（710 nm）；PER-TCNQ（1040 nm）；DBTTF-TCNQ（1600 nm）。

圖2：A) CT NPs制備示意圖。B) PER-TCNQ NPs分散在水中的粒徑和電鏡圖像。C)計算得出的三種納米粒的能量間隙差值。D)四種材料本身及其組成的三種CT NPs的吸收光譜。E) CT NPs的P-XRD表征。

 

因為PER-TCNQ NPs在NIR-II有較強的吸收峰，因此作者選擇它來用于后續(xù)光熱實驗。在1064 nm激光照射下，PER-TCNQ NPs水溶液在照射12分鐘后，溶液可以迅速升溫至34 ℃，而PER和TCNQ單獨納米溶液沒有這樣的光熱效應(yīng)（圖3A）。同時，當(dāng)增加PER-TCNQ NPs的濃度，或增加照射時間和功率，均可以增強PER-TCNQ NPs的光熱效應(yīng)。（圖3B-D）。作者通過比較PER-TCNQ NPs在激光照射前后的吸光光譜，證明其具有很好的光熱穩(wěn)定性（圖3E）。同時，作者還將PER-TCNQ NPs進行了連續(xù)5次的加熱和冷卻測試，測定了經(jīng)過5個循環(huán)的加熱和冷卻過程，PER-TCNQ NPs依然具有良好的光穩(wěn)定性（圖3F）。

圖3：A) PER-TCNQ NPs、PER NPs、TCNQ NPs和水在1064 nm激光(1 W/cm2)照射后的溫度變化曲線。B)不同濃度PER-TCNQ NPs的紅外熱成像圖，C)不同濃度PER-TCNQ NPs的溫度變化曲線。D)PER-TCNQ NPs (50 mg/mL)在不同功率密度的激光照射下的溫度變化曲線。E) PER-TCNQ NPs在1064 nm激光照射(1 W/cm2)下5次加熱/冷卻循環(huán)前后的吸收光譜和F)溫度變化曲線。

 

因為PER-TCNQ NPs具有優(yōu)異的光熱效應(yīng)，因此作者測定了其對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌能力。分別將0、5、10、15、20 mg/mL濃度的PER-TCNQ NPs在黑暗條件下與金黃色葡萄球菌和大腸桿菌共孵育15 min，再照射1064 nm激光15分鐘，測定細菌的存活率。在PER-TCNQ NPs濃度為 20 mg/mL時，金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的存活率均接近0，表明PER-TCNQ NPs具有良好的抗菌能力（圖4）。

圖4: PER-TCNQNPs(0、5、10、15、20mgmL1)在1064 nm激光照射下(1W/cm2)對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌活性及其對應(yīng)的SEM圖像。

 

作者制作了一張形似太極圖案的PDMS薄膜，在一部分添加PER-TCNQ NPs，來驗證能否通過激光來進行抗菌實驗（圖5A，B）。在1064 nm（1 W/cm2）激光開始照射后，作者通過熱成像儀對這張PDMS薄膜進行成像（圖5C）。最終，作者發(fā)現(xiàn)只有在添加了PER-TCNQ NPs的薄膜上，照射了激光后可以抑制大腸桿菌生長活性（圖5D）。這些結(jié)果表明，PER-TCNQ NPs具有不錯的激光調(diào)控抗菌應(yīng)用開發(fā)前景。

圖5：A)太極圖案的PDMS薄膜抗菌效果示意圖。B)PDMS薄膜陰極摻雜有PER-TCNQ NPs，而陽極僅含有PDMS。C)PDMS薄膜的光熱成像圖。D)PDMS薄膜陰極和陽極上大腸桿菌的菌落形成單位(CFU)。

 

結(jié)論：作者通過實驗證明，通過調(diào)節(jié)電荷供受體之間的能隙帶，可以設(shè)計出具有電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)的納米粒。它們具有高效的光熱效應(yīng)，帶來抗菌作用。這些新設(shè)計出的納米粒在未來或許可以擁有更廣泛的應(yīng)用市場。

 

參考文獻

Tian S, BaiH, Li S, Xiao Y, Cui X, Li X, Tan J, Huang Z, Shen D, Liu W, Wang P, Tang BZ,Lee CS. Water-Soluble Organic Nanoparticles with Programable IntermolecularCharge Transfer for NIR-II Photothermal Anti-Bacterial Therapy. Angew ChemInt Ed Engl. 2021 May 17;60(21):11758-11762.

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