近日，西湖大学工学院杨健团队在国际学术期刊Nature Communications发表题为“Engineering phosphorescence and pH-responsive fluorescence of molecular luminophores and elastomers”的研究论文。论文第一作者为王丁博文博士。

  该研究提出了一种整合pH响应荧光与长寿命室温磷光的分子设计策略，并通过调控可降解聚酯的微观结构，将两种光学功能进一步拓展至柔性弹性体材料。研究团队通过分子结构设计和聚合物微环境调控，分别实现了对酸碱变化的荧光响应以及对长寿命磷光发射的稳定化，并在皮下成像、胃肠道示踪和伤口状态监测等方面验证了其应用潜力。该工作为兼具环境感知、长寿命光学信号和柔性力学性能的生物医用材料提供了新的设计思路。

一、如何让生物材料既能发光，又能感知环境？

  发光材料在生物医学领域具有广泛应用前景。通过检测材料发出的光信号，研究人员可以实现组织成像、植入物示踪以及局部生理环境监测等功能。其中，荧光和磷光是两种重要的光致发光形式。荧光通常在受到光照时迅速产生，并在激发光停止后很快消失。由于响应速度快、检测方式成熟，荧光材料已被广泛应用于生物成像和化学传感。例如，通过设计具有酸碱响应能力的发光分子，可以利用荧光强度或颜色变化反映环境pH。

  与荧光不同，磷光涉及寿命较长的激发三线态，因此部分室温磷光材料能够在停止光照后继续发光，形成肉眼可观察的余辉。这一特征也使其能够通过延迟采集光信号的方式，减少激发光散射和短寿命背景荧光的干扰，为生物成像提供新的检测维度。然而，要将这两种发光功能整合到生物医用材料中，仍然面临挑战。一方面，材料需要对环境变化产生可识别的光学响应；另一方面，长寿命磷光通常对分子运动、氧气和水分较为敏感，需要相对稳定的局部环境才能有效维持。对于柔性生物材料而言，这一问题尤其突出。柔软、可拉伸的聚合物往往具有较高的分子运动自由度，而长寿命磷光通常需要限制发光分子的运动，以抑制非辐射能量损失。因此，如何在保持材料柔性和生物适用性的同时，实现环境响应与长寿命发光功能的整合，是响应性磷光生物材料研究中的重要问题。

从前期研究到本次突破

  2024年，杨健团队在 Science Advances 发表了题为“Harnessing the duality of bases toward controlled color and fluorescence”的研究论文。该工作发现，高苯酐（homophthalic anhydride，HA）能够在碱的作用下产生显著的颜色变化和荧光增强。通过区分碱的碱性与亲核性，研究人员阐明了酮-烯醇互变异构及酸酐开环反应对发光行为的影响，实现了对显色和荧光持续时间的调控，并将其应用于动态信息加密。这一发现揭示了特定分子结构中的酸碱响应化学与光学性质之间的联系。在此基础上，研究团队进一步思考：能否在保留分子pH响应能力的同时，赋予其长寿命室温磷光特性，并最终将这些功能整合到可降解的柔性生物材料中？本次发表于 Nature Communications 的研究正是围绕这一问题展开。

二、在同一体系中整合pH响应荧光与室温磷光

  针对上述挑战，研究团队提出了ArKMK分子设计策略，即将芳香酮结构与具有pH响应特征的α-亚甲基酮结构相结合。这一策略的关键在于利用不同分子结构单元的特征，为两种发光功能提供相应的分子基础。其中，芳香酮及相关羰基结构有利于促进单线态向三线态的系间窜越，为室温磷光的产生提供条件；α-亚甲基酮结构则能够参与酸碱相关的化学转变，使分子的电子结构和荧光行为随环境pH发生变化。通过这一设计，研究团队构建了一系列具有pH响应荧光和长寿命室温磷光特性的发光分子，并结合光谱表征与理论分析研究了相应的发光行为。需要强调的是，两种功能并不意味着磷光本身必须随pH改变。 在该研究中，pH响应主要体现在荧光通道，而长寿命磷光提供另一种具有时间分辨特征的光学信号。这种设计使材料能够同时具备环境响应和延迟发光能力，为构建多功能发光材料提供了分子层面的基础。

图1. 基于高酞酸酐（HA）发光体的合成、pH响应性及延迟发光特性。

三、如何让柔软的弹性体保持长寿命磷光？

  实现分子层面的双重发光功能之后，研究团队面临第二个问题：如何将这些功能保留在柔性、可降解的聚合物材料中？室温磷光通常容易受到分子运动和环境淬灭因素的影响。传统材料设计往往通过刚性基体限制发光分子的运动，以提高三线态的稳定性。但对于生物医用弹性体而言，材料还需要具备柔软、可形变等特征，因此不能简单依赖整体高度刚性的聚合物结构。

  为此，研究团队采用了名为TPiO（two-pots-in-one）的聚合物构筑策略。这一方法首先分别制备具有不同亲疏水特征的聚酯链段，再将其引入后续反应体系，以调控聚合物内部的组成与结构分布。通过这种方式，研究人员构筑了具有微相分离特征的可降解聚酯弹性体。材料内部不同微区在组成和局部环境上存在差异，使发光单元能够处于更有利于长寿命磷光的微环境中。局部结构约束有助于限制分子运动，并减弱环境因素造成的三线态失活。与此同时，发光单元通过化学反应整合到聚酯体系中，使光学功能成为材料设计的一部分，而非仅依赖简单的物理混合。最终，研究团队获得了兼具柔性力学性能、可降解性和长寿命室温磷光的聚酯弹性体，并保留了相应的pH响应荧光功能。这一结果说明，材料在宏观尺度上的柔软性，并不必然与发光分子所需的局部结构约束相矛盾。通过合理设计聚合物内部微环境，有可能同时实现柔性材料性能与稳定的长寿命发光。

图2. “两锅合一”法合成高酞酸酐-柠檬酸基聚酯。

四、从光学成像到材料状态报告

  在完成分子与材料设计后，研究团队进一步探索了这些功能在生物医学场景中的应用潜力。

1. 皮下成像：利用时间分辨信号提高识别能力

  生物组织本身可能产生一定的背景荧光，从而影响外源光学信号的识别。与短寿命荧光不同，长寿命室温磷光能够在激发停止后继续发射光信号。因此，通过在延迟时间窗口内采集图像，可以减少部分短寿命背景信号的干扰。研究团队利用构建的发光材料开展了皮下成像实验，展示了长寿命光学信号在生物组织环境中的应用潜力。

2. 胃肠道示踪：探索可降解材料的光学追踪

  除皮下成像外，研究团队还探索了发光材料在胃肠道示踪中的应用。胃肠道环境具有复杂的生理条件，材料的光学性质可能受到水分、局部环境和材料状态变化等因素影响。通过引入长寿命发光功能，研究人员展示了利用材料自身光学信号进行示踪的可行性，为后续开发具有示踪功能的生物材料提供了实验基础。

3. 伤口状态报告：让材料提供环境信息

  伤口局部pH及水分状态与创面微环境密切相关，因此，能够感知环境变化的功能材料受到广泛关注。研究团队将pH响应荧光与长寿命磷光整合至柔性可降解材料，进一步探索了其在伤口状态报告中的应用。其中，pH响应荧光可以提供局部酸碱环境变化的信息，而长寿命磷光则为材料状态及其周围环境的光学评估提供另一种信号形式。这种设计使材料不仅能够作为柔性载体存在，还能够通过自身发光行为提供一定的环境反馈。

图3. HA-Gly@PDXC的生物医学应用展示。

五、总结与展望

  本研究从分子结构设计出发，提出了整合pH响应荧光与室温磷光的分子设计策略，并进一步通过聚合物微环境调控，将两种功能拓展至柔性可降解弹性体。

  研究的主要进展体现在三个方面：

  首先，在分子层面，通过结合具有不同光物理和化学响应特征的结构单元，实现了pH响应荧光与长寿命磷光功能的整合。其次，在材料层面，通过调控可降解聚酯内部的微相结构，为长寿命发光提供有利的局部环境，在保持材料柔性与可降解性的同时实现了磷光稳定化。最后，在应用层面，研究展示了这类材料在皮下成像、胃肠道示踪和伤口状态报告等生物医学场景中的潜力。从2024年 Science Advances 对分子酸碱响应与荧光机制的研究，到本次 Nature Communications 对长寿命磷光及可降解弹性体的进一步拓展，研究团队逐步建立了从分子发光机制、功能分子设计到柔性生物材料构筑的研究路径。未来，通过进一步优化发光效率、环境响应特征及材料结构，并开展更加系统的生物学评价，有望推动此类多功能光学材料在生物成像、植入物监测及智能创面敷料等方向的深入研究。

  论文信息

  论文题目： Engineering phosphorescence and pH-responsive fluorescence of molecular luminophores and elastomers

  发表期刊： Nature Communications

  作者： Dingbowen Wang、Jiayue Feng、Jian Yang

  研究单位： 西湖大学工学院；西湖大学未来产业研究中心

  经费支持：国家自然科学基金（32501225）和国家重点研发计划（2024YFA1107800）

  本研究论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-026-79278-y

  前期相关研究：

  Dingbowen Wang et al. Harnessing the duality of bases toward controlled color and fluorescence. Science Advances, 10, eadn9692 (2024).

  论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adn9692