近年来，光热治疗（Photothermal Therapy, PTT）因具有微创、高时空选择性和低系统毒性等优势，被认为是肿瘤治疗的重要发展方向。其中，近红外二区（NIR-II，1000-1700 nm）由于组织散射更低、穿透深度更深，可望突破传统光热治疗仅适用于浅表组织的限制。然而，NIR-II光子的本征能量较低，要求材料必须具备极窄带隙才能实现高效吸收，这使高性能有机光热材料的设计面临巨大挑战。
目前主流聚合物光热体系大多基于延展π共轭结构或D-A结构设计。前者虽然能够通过延长共轭长度实现吸收红移，但主吸收峰通常难以进入1400 nm以上区域；后者则依赖分子内电荷转移实现长波吸收，但往往伴随着电子跃迁振子强度下降，导致摩尔消光系数与光热效率难以兼顾。此外，近年来兴起的开壳层有机体系虽然具有天然窄带隙优势，但普遍存在稳定性差的问题，在空气、水及复杂生理环境中容易发生氧化失活，严重限制了其实际应用。
针对这一难题，中国人民大学王亚培教授/贺泳霖副教授团队联合重庆大学卢阳教授、德累斯顿工业大学冯新亮教授团队提出了一种二维开壳层共轭金属有机框架（2D c-MOFs）设计策略。研究团队利用d-π配位与二维大π共轭离域协同稳定开壳层电子，在实现超宽NIR-II吸收的同时，大幅提升了体系稳定性。实验结果表明，该材料在室温及潮湿环境中存放24个月后，自由基信号几乎没有衰减，明显优于传统开壳层有机体系。与此同时，其主吸收峰超过1400 nm，固态薄膜摩尔消光系数达到106 M-1 cm-1量级。以上性能相比现有的NIR-II光热分子具有显著优势。
相关研究以《Super-stable two-dimensional radical conjugated metal-organic frameworks for efficient NIR-II photothermal conversion》为题发表在Science Advances上。
除了稳定性与宽带吸收之外，该工作还进一步揭示了影响有机光热材料能量耗散的重要机制。研究发现，柔性烷基侧链能够显著增强体系振动弛豫与非辐射衰减过程。飞秒瞬态吸收光谱结果表明，随着侧链长度增加，体系内转换过程被进一步增强，吸收的NIR-II光能能够更快速地以热的形式释放。通过柔性侧链调控后，优化后的Bu-CMOF实现了高达92.9%的光热转换效率。该结果首次从超快动力学角度揭示了柔性侧链调控光热能量耗散的机制，为高性能聚合物/有机光热材料设计提供了新的思路。
在PTT治疗实验中，研究团队利用MCF-7乳腺癌细胞模型对材料性能进行了验证。结果显示，Bu-CMOF纳米颗粒在仅0.1 W cm-2的1064 nm激光照射下，即可实现接近100%的肿瘤细胞杀伤效果。相比目前多数NIR-II光热体系需要更高功率密度才能达到有效治疗，该材料在低功率条件下仍表现出优异治疗能力，意味着其更有希望应用于深层组织光热治疗，并降低正常组织热损伤风险。同时，该材料还表现出良好的生物相容性与低毒性，在比治疗浓度高一个数量级的高浓度毒性测试中对细胞仍友好。以上结果说证明，该体系在深层癌症PTT治疗方向展现出重要应用潜力。
图1 具有超稳定自由基的2D c-MOFs实现高效NIR-II光热治疗
图2 2D c-MOFs的合成路线与自由基稳定性
图3 主吸收峰普遍超过1400nm的NIR-II光吸收特性。
图4 2D c-MOFs对NIR-II超高的摩尔消光系数和光热转换能力
图5. 2D c-MOFs的fs-TA动力学过程分析
图6. 2D c-MOFs在深层NIR-II光热治疗的性能探索
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec7519
