《Nano Today》：Molecular architectonics of semiconducting polymer dots for next-generation NIR-II fluorescence bioimaging
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分子建筑學設計的近紅外二區熒光聚合物點（Pdots）通過多尺度結構調控提升生物成像與精準治療性能，其分子拓撲優化、超分子組裝及界面工程策略可增強熒光量子產率、光穩定性及靶向遞送效率，但仍需解決生物降解性、長期安全性和監管適配等挑戰。
Nabil Omri | Vignesh Kumaravel
國際創新生物基材料研究中心（ICRI-BioM），國際研究議程，羅茲工業大學，波蘭羅茲90-537
摘要
通過分子結構設計制造的下一代半導體聚合物點（Pdots）正在重新定義近紅外-II（NIR-II）熒光生物成像和精準治療診斷技術。通過整合供體-受體工程、π-共軛主鏈剛性化以及側鏈調節，分子結構設計實現了精確的帶隙調節、激子離域化以及增強的光化學穩定性。在分子、超分子和界面層面的結構控制使得Pdots具有優異的量子產率、超深的組織穿透能力，并且幾乎無自熒光現象。本文闡明了調控NIR-II發射的結構-功能關系，并探討了提高光穩定性的前沿策略，包括在混合基質中的納米級限制、系統間能量耗散調節以及構象鎖定。在生物界面上，通過動態配體交換、隱秘聚合物涂層和適應性功能化，可以延長Pdots的循環時間，減少調理作用，并促進靶向遞送。將NIR-II熒光與光熱、光動力和圖像引導的藥物遞送方式相結合，Pdots成為與光聲和磁共振成像協同作用的多模式治療診斷系統的理想分子核心。盡管取得了快速進展，但生物降解性、長期生物安全性和法規兼容性仍 merupakan主要挑戰。新興的結構解決方案，如生物響應性降解以及與臨床批準載體的結合，正在架起分子設計與臨床轉化之間的橋梁，使NIR-II Pdots成為下一代智能納米醫學的關鍵推動者。
引言
半導體聚合物點（Pdots）是一類具有超高亮度[1]、[2]、[3]、[4]、優異光穩定性和可調光學特性的有機熒光納米材料（圖1）。作為基于π-共軛聚合物的納米顆粒，Pdots為量子點（QDs）[5]、[6]提供了一種完全有機的替代方案，避免了重金屬毒性及復雜鈍化層的需求。除了卓越的光學性能外，Pdots還體現了從π-共軛主鏈設計、超分子自組裝到動態生物界面調節的分子結構層次[7]、[8]。每個結構層次都調控著不同的但相互依賴的光物理和生物行為，通過合理的分子設計實現了對光電功能的預測性控制，并建立了統一的結構-功能-生物界面邏輯。
Pdots發展的一個核心方向是在第二近紅外窗口（NIR-II，1000–1700 nm）內優化深部組織成像性能。NIR-II區域通常分為兩個光譜范圍：NIR-IIa（1000–1300 nm）和NIR-IIb（1500–1700 nm）。與可見光和NIR-I區域相比，NIR-II光具有顯著降低的光子散射、抑制的組織自熒光以及更深的組織穿透能力[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]，從而能夠實現高空間和時間分辨率的內部生物結構的實時可視化。這些優勢使得NIR-II熒光成像成為精準診斷、術中導航和長期疾病監測的下一代技術[17]、[18]、[19]。盡管材料科學取得了快速進展，但實現明亮、穩定且生物持久性的NIR-II Pdots仍面臨根本性挑戰。長波長發射所需的帶隙縮小會放大非輻射衰減途徑，而納米級聚集、水中的不穩定性以及動態生物界面相互作用進一步降低了量子產率（QY）、光穩定性和體內信號持久性。
這些限制無法僅通過漸進式的分子替換或配方優化來解決。它們源于分子拓撲、超分子堆積和界面組織之間的相互作用，這些因素共同調控著激子離域化、輻射復合和光漂白敏感性。在這種背景下，激子路徑的結構控制是指對供體-受體（D-A）拓撲、主鏈構象和納米級堆積順序的刻意編程，以調節激子遷移、電荷轉移特性和抑制非輻射損失。D-A共聚、主鏈平面化和聚集誘導發射（AIE）的最新進展體現了這一范式。D-A共聚實現了可調節的分子內電荷轉移和激子離域[20]、[21]、[22]、[23]、[24]，直接將分子結構與NIR-II亮度聯系起來。主鏈平面化和擴展的π-共軛進一步穩定了離域的激發態并增強了輻射途徑[25]、[26]。AIE活性結構將原本的聚集過程轉化為增強熒光的機制[27]、[28]、[29]、[30]，使得在生物相關條件下實現明亮且光穩定的發射。
綜上所述，這些策略確立了激子行為作為由層次化結構順序編碼的新興結構屬性，本文將其稱為“結構亮度原理”。這一原理指出了多尺度分子和超分子結構如何調控熒光亮度、量子產率和光穩定性。通過將原子級別的D-A序列與納米級堆積和顆粒組織聯系起來，為設計超高亮度、生物兼容的NIR-II Pdots提供了合理的指導。
同樣關鍵的是Pdots的生物結構層面，其中表面化學和超分子組織決定了其生物特性、藥代動力學和體內命運。親水涂層（如聚乙二醇（PEG）和兩性離子刷狀結構）增強了膠體穩定性，延長了系統循環時間，并抑制了蛋白質冠層的形成和調理作用[31]、[32]、[33]。模塊化的生物界面進一步實現了靶向配體、肽、抗體和小分子識別基團的結合[34]、[35]，促進了精確的病變定位和位點特異性信號放大。通過這些界面結構，化學組成、納米級結構和生物行為被整合成一個連續的設計層次，從而調控信號保真度和長期成像性能。
盡管取得了顯著進展，NIR-II Pdots的發展仍存在未解決的結構瓶頸，包括帶隙縮小與非輻射損失之間的內在耦合、缺乏預測超分子堆積和D-A共聚物中激子離域的規則、結構編碼的生物降解途徑的有限整合，以及對動態生物界面上激子調控的機制理解不足。幾篇綜合性綜述系統總結了Pdots及相關共軛聚合物納米顆粒的進展[36]、[37]、[38]、[39]、[40]，涵蓋了聚合物家族、納米顆粒制備策略、光學性能指標和生物醫學應用（包括生物傳感、成像和治療診斷）。雖然這些研究在鞏固該領域方面發揮了重要作用，但它們主要采用基于性能或應用的視角，將分子結構、納米顆粒組裝、光學輸出和生物結果視為彼此獨立的描述符。特別是關于共軛聚合物點和多功能半導體聚合物納米醫學的基礎研究[36]、[37]側重于材料分類和集成成像-治療平臺，而沒有建立將分子拓撲與激子調控和體內信號持久性聯系起來的機制層次。關于腫瘤治療診斷的共軛聚合物納米顆粒的研究[38]強調了多模式成像和光動力整合，但未能解釋納米級堆積模式和主鏈結構如何調控生物環境中的長期光物理穩定性。最近關于可生物降解半導體聚合物納米顆粒的討論[39]在向臨床轉化方面邁出了重要一步，但生物降解性主要被視為附加的材料特性，而非與激子和超分子設計相關聯的結構編程屬性。類似地，關于NIR-II發射Pdots的綜述[40]強調了深部組織成像的優勢，但主要關注波長擴展和亮度，而對分子和超分子結構如何調控非輻射衰減、光漂白抗性和界面介導的信號降解的分析有限。
相比之下，本文通過引入分子結構設計作為NIR-II Pdots的多尺度、預測性設計框架，超越了以往的綜述。在這里，Pdots不僅被視為熒光納米顆粒，而是被視為層次化的納米光子系統，在這些系統中，光學性能、光穩定性、生物降解性和生物命運通過耦合的分子、超分子和生物界面結構層次得到編碼。我們系統地分析了D-A拓撲、主鏈剛性和構象、AIE行為、納米級堆積順序以及表面生物界面如何共同調控激子離域化、非輻射衰減途徑、光漂白抗性和體內信號持久性。通過將分子設計和組裝原理與生物性能通過因果光物理機制聯系起來，本文將Pdots的發展從經驗性的試錯優化轉變為可編程的、結構引導的策略。這種分子結構設計的視角為下一代NIR-II生物成像探針和多功能治療診斷納米光子系統提供了預測性藍圖，這是之前Pdots相關綜述中尚未實現的綜合進展。
NIR-II熒光在生物成像中的基本原理
有效的NIR-II熒光生物成像依賴于兩個相互依賴的光學參數的精確優化：量子產率（QY）和光穩定性。這兩個參數共同決定了熒光團在復雜生物環境中長時間激發下的亮度、對比度和操作耐用性。在NIR-II窗口內，顯著降低的光子散射、最小的組織吸收和抑制的自熒光使得深部組織成像具有優異的空間分辨率和信噪比（SBR）。
NIR-II Pdots在生物成像中的應用
Pdots已成為NIR-II窗口生物成像應用中的一類革命性熒光團。它們出色的亮度、光穩定性、生物相容性和深部組織穿透能力使其優于傳統的NIR染料和量子點，適用于高對比度的生物醫學成像。與傳統熒光團不同，NIR-II Pdots具有高量子產率（QY）、最小的自熒光（AF）和強大的抗光漂白能力，能夠實現生物結構的實時、高分辨率可視化。
結論與展望
半導體Pdots已成為一類具有優異光學特性和可調多功能結構的生物成像納米材料。它們擴展到NIR-II熒光窗口，實現了深部組織成像，具有高空間分辨率、最小的自熒光和降低的光子散射，克服了傳統有機熒光團和無機量子點的根本局限性。本文強調了相關的分子策略。
CRediT作者貢獻聲明
Vignesh Kumaravel：撰寫——綜述與編輯、監督、項目管理、資金獲取、概念構思。Nabil Omri：撰寫——原始草稿、驗證、方法學、研究、資金獲取、正式分析、概念構思。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能影響本文報告的工作。
致謝
該項目獲得了歐盟“Horizon Europe”計劃下的Marie Sk?odowska-Curie資助協議（項目編號：101205959，項目名稱：Redcoat）的支持。
