光热响应性聚吡咯交联单链纳米颗粒：开启光热治疗新征程

为解决光热治疗（PTT）中发色团需兼具高效光热转换、生物相容性和水溶性的问题，研究人员开展了将聚吡咯（PPy）嵌入单链纳米颗粒（SCNP）的研究。结果显示，该纳米颗粒光热转换效率高、毒性低，适用于 PTT 和光声成像（PAI），意义重大。

　　在医学领域，光热治疗（PTT）和光声成像（PAI）一直备受关注。光热治疗利用近红外（NIR）发色团的光热效应，在近红外光照射下局部产生热量，从而杀死含有光热药物的组织细胞；光声成像则基于光热激发发色团，实现高分辨率的深层组织成像。然而，这两种技术在发展过程中面临着诸多挑战。比如，用于光热治疗的发色团，像纳米限域低聚物和聚合物等，不仅要具备出色的光热转换效率，还得有良好的生物相容性和水溶性 ，但现有的材料很难同时满足这些要求。就拿聚吡咯（PPy）来说，它作为一种有机半导体，虽能有效将激发能转化为热能，适用于光热治疗和光声成像，可它在大多数溶剂（包括水）中不溶，限制了其应用。

为了突破这些困境，来自马丁路德大学哈勒 - 维滕贝格（Martin Luther University Halle-Wittenberg）的研究人员展开了深入研究。他们成功将原位聚合的聚吡咯（PPy）发色团嵌入单链纳米颗粒（SCNP）中，相关成果发表在《Communications Chemistry》上。这一研究成果意义非凡，为光热治疗和光声成像开辟了新的道路。

研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在合成方面，通过SN2反应和酯化反应制备了含吡咯的甲基丙烯酸酯单体，再利用原子转移自由基共聚（ATRP）法合成前体聚合物。之后，通过氧化聚合使前体聚合物发生单链塌缩反应，形成 SCNP。在表征技术上，运用13C - NMR 光谱、凝胶渗透色谱（GPC）、原子力显微镜（AFM）、动态光散射（DLS）等手段对聚合物和 SCNP 的结构、尺寸、热响应性等进行分析。还使用激光照射和 LED 阵列照射实验，研究 SCNP 的光热性能；通过细胞活力测试评估其细胞毒性；采用光声光谱仪进行光声成像实验128。

下面来看看具体的研究结果：

1. 纳米颗粒的合成与表征：研究人员先合成了含有少量吡咯单元的前体聚合物，其分子量Mn=25.0kDa，分散度 。通过氧化聚合吡咯单元，实现单链塌缩反应，成功制备出尺寸在 6.8 - 8.9 nm 的 SCNP。13C - NMR 光谱证明了吡咯侧链的聚合，GPC 和 AFM 测试结果表明 SCNP 发生了明显的压实，且压实程度随添加的游离吡咯量增加而增大12。
2. 热响应性研究：SCNP 的 OEG 侧链使其具有热响应性的低临界溶液温度（LCST）行为。浊度法测量显示其浊点温度Tcp在 50°C 左右，低于该温度时，SCNP 在水中分散良好，水动力直径小于 10 nm；高于该温度时，SCNP 会聚集形成 500 - 800 nm 的大颗粒。与模型蛋白牛血清白蛋白（BSA）混合实验表明，在血浆蛋白存在的情况下，SCNP 的聚集行为基本不受影响34。
3. 光物理性质研究：单链塌缩过程中添加的游离吡咯对 SCNP 中 PPy 的光物理性质影响重大。只有添加额外吡咯的反应才能形成足够长链的 PPy，成为有效的光热激发发色团。SCNP10在可见光 / 近红外范围内有很强的吸收，其消光系数ε较高，在 815 nm 处为14.25mLmg?1cm?1 ，在 722 nm 处为15.31mLmg?1cm?1 ，且在所选溶剂中均未检测到荧光，证明其适合光热应用56。
4. 光热性能研究：用 815 nm 激光照射不同浓度的SCNP10溶液，能有效将照射能量转化为热能。在第一照射周期结束时，0.1 mg/mL 溶液的温度变化为 32.9 K，2 mg/mL 溶液的温度变化高达 56.8 K。即使 SCNP 结构比之前报道的 PPy 基材料小很多，但温度效应与之相当，且发色团完全可溶是其一大优势。用 NIR - LED 阵列（722 nm）照射 96 孔板实验也表明，在低光强下，SCNP 仍具有高效的光热转换效率，光照 15 min 后，温度可从 15.9°C 升至 63.0°C，光热转换效率高达～75%79。
5. 细胞毒性与光热治疗效果研究：细胞活力测试显示，SCNP10对 3T3 和 DLD - 1 细胞系的毒性较低。在光热治疗实验中，用不同浓度的SCNP10处理细胞系，再用 NIR - LED 照明垫（722 nm）照射 15 min。结果发现，较低的SCNP10浓度（0.001 mg/mL，代表 PPy 浓度 0.2 μg/mL）和较高的辐射通量（0.84 W/cm2）组合，就能使两种细胞系完全死亡；较低辐射通量（0.56 W/cm2）下，0.01 mg/mL（2.0 μg/mL PPy）的SCNP10浓度也能达到同样效果1011。
6. 光声成像研究：SCNP10可作为光声成像的对比剂。PA 光谱仪检测显示，其 PA 信号幅度与浓度呈线性关系。而且，SCNP10的光热响应性使其具有独特的对比效果。通过对含有SCNP10溶液和CuSO4溶液（作为参考）的组织模型进行成像，发现SCNP10溶液在热诱导聚集前后的 PA 图像有明显差异，而CuSO4溶液无此变化，证明SCNP10在光声成像中具有良好的应用前景812。

研究结论表明，研究人员成功制备了聚吡咯交联的单链纳米颗粒（PPy - SCNP），该纳米颗粒可用于光热治疗和光声成像。其独特的分子设计，使 PPy 的光热行为与 SCNP 的热响应性相结合，产生了自放大的光热效应，引发 SCNP 可逆聚集，且在停止照射后能重新溶解，便于从体内清除。这一研究成果为光热治疗和光声成像开拓了新方向，有望推动光热治疗技术的进一步发展，提高癌症等疾病的诊断和治疗水平 。不过，目前该研究仍存在一些需要进一步探索的地方，比如如何实现更精准的组织特异性靶向，以减少对健康组织的损伤。未来研究可针对这些问题深入开展，进一步优化纳米颗粒的性能，使其在临床应用中发挥更大的价值。