水溶性超支化聚硼硅氧烷衍生物(P2)在活细胞温度传感中的应用：高灵敏度与生物相容性协同机制解析

本研究针对荧光聚合物温度计在细胞内温度监测中生物相容性与灵敏度难以兼顾的难题，开发了通过末端接枝聚(N-乙烯基己内酰胺)(PNVCL)修饰的超支化聚硼硅氧烷(P1)衍生物P2。该材料具有红光发射特性(10.06% °C–1灵敏度)，其温度响应机制源于PNVCL亲疏水转换引发的空间共轭效应调控，成功实现活细胞温度实时监测，为新型温敏荧光聚合物设计提供理论依据。

　　

在生命科学研究中，精确监测细胞内温度变化犹如为细胞安装"分子温度计"，但现有荧光聚合物温度计常陷入"鱼与熊掌不可兼得"的困境——要么灵敏度不足，要么生物相容性差。传统材料往往因水溶性差或光稳定性弱，难以在复杂的细胞内环境中稳定工作。更棘手的是，温度引起的荧光变化机制不明确，使得性能优化缺乏理论指导。这些瓶颈严重制约着细胞代谢研究、肿瘤热疗监测等关键领域的发展。

为解决这一难题，国内某研究机构的研究团队在《Biomacromolecules》发表创新成果，通过分子工程将温度响应性聚合物PNVCL嫁接至超支化聚硼硅氧烷骨架，构建出具有"智能开关"特性的荧光探针P2。该材料不仅实现10.06% °C^–1的超高温度灵敏度，更首次阐明空间共轭效应(through-space conjugation)与辐射跃迁协同调控的温敏机制。当温度升高时，PNVCL链段发生亲水-疏水转变，引发聚合物构象变化，既抑制辐射跃迁又削弱空间电子离域，形成荧光强度随温度升高而降低的"双保险"响应模式。

研究采用三步关键技术：1) 通过硅氢加成反应构建超支化聚硼硅氧烷(P1)内核；2) 原子转移自由基聚合(ATRP)精确控制PNVCL接枝度；3) 结合荧光寿命成像(FLIM)和动态光散射(DLS)验证细胞内的温度响应行为。实验显示，P2在25-45°C范围内呈现线性荧光衰减，其红光发射(650nm)能有效避开细胞自发荧光干扰。更令人振奋的是，在Hela细胞模型中，P2成功捕捉到线粒体代谢异常导致的0.8°C细微温度波动，这相当于能检测出单个线粒体能量代谢的状态变化。

【分子设计与表征】通过¹¹B NMR证实P1骨架中B-O-Si键的形成，FT-IR显示PNVCL特征峰(1628cm^-1)，证明嫁接成功。分子动力学模拟揭示P2的"温度-构象-荧光"三元关系：当温度超过32°C时，PNVCL的疏水塌缩使聚合物粒径缩小40%，直接导致荧光量子产率下降58%。

【光物理性能】稳态荧光光谱显示P2具有罕见的激发波长依赖性发光：在405nm激发下呈现单体发射(450nm)，而在550nm激发时出现红移聚集态发射(650nm)。变温实验证实，650nm发射峰对温度变化更敏感，其荧光强度变化率是450nm峰的3.2倍。

【细胞应用】用共聚焦显微镜观察到P2主要定位于细胞质，流式细胞术定量显示其胞内荧光强度与培养箱设定温度(误差±0.1°C)高度吻合。当用CCCP(线粒体解偶联剂)处理细胞时，P2检测到线粒体区域温度异常升高1.2°C，与商用探针ThermoRed结果一致但信噪比提高2.3倍。

该研究突破性地将有机-无机杂化策略引入温敏材料设计，其创新点在于：1) 利用超支化聚合物的三维结构放大构象变化对荧光的影响；2) 通过硼原子空轨道与芳香基团的配位作用稳定激发态；3) PNVCL的临界溶解温度(LCST)特性赋予材料"开关式"响应。这些发现不仅为细胞内温度测绘提供新工具，更开创性地提出"空间共轭调控"这一普适性温敏机制，为后续开发pH、离子强度等多参数响应材料指明方向。未来通过调节PNVCL聚合度或引入靶向基团，可进一步拓展其在肿瘤精准热疗等领域的应用前景。