【背景】
采用纳米光热转换剂(PTCAs)的近红外(NIR)光热疗法(PTT)，能够有效地收集光子能量，并在局部范围内将光能转化为热能，达到杀灭癌细胞的目的。因其具有较小的侵袭性和较高的特异性，光热疗法正逐渐成为一种高潜力的癌症治疗途径。聚吡咯、聚苯胺、聚吲哚等导体/半导体聚合物，由于具有比无机光热转换剂更佳的光热转换能力、优越的光稳定性和良好的生物相容性，正日益引起科学界的广泛关注。但是，这些π-共轭聚合物中大量的苯环或者杂环的存在使得它们具有极强的疏水性，以至于需要在制备和功能化过程中引入大量没有光电活性的掺杂或修饰材料。因此，如何通过同类共轭高分子的成分掺杂，保持杂化材料π-共轭结构、提高光物理性质、赋予其更好的分散性、功能性和生物相容性，是该研究领域极具挑战、有待解决的科学问题。
2019年7月28日，本课题组本科生黄基茜、王帅所做的课题研究“Interface-Hybridization Enhanced Photothermal Performance of Polypyrrole/Polydopamine Heterojunctions on Porous Nanoparticles”在《Macromolecular Rapid Communications》杂志在线发表。该论文首次报道了一种具有高分子异质结的聚多巴胺/聚吡咯多孔复合纳米颗粒，并挖掘和阐释了其用于光热治疗的潜力。在这项工作中，课题组基于介孔聚多巴胺（MPDA）为主体，通过主客体相互作用、吡咯的疏水作用以及聚合物间的π-π堆积作用，在介孔聚多巴胺的孔状结构表面掺杂聚吡咯来构建高水平PDA/PPy异质结，得到了MPDA-PPy复合纳米颗粒。研究发现，复合材料中这种高水平的异质结，可以通过两种高分子内部的含氮五元杂环之间的相互作用和大面积接触，使得聚合物的带隙变窄（低至0.56 eV），促进了PDA和PPy分子间发生的光生电子转移过程，使得复合纳米颗粒的消光系数（26.0 L g−1 cm−1）和光热转换性能（~36.1%）分别提高了4.6倍和2.2倍，为具有较窄带隙的杂化聚合物在光热治疗中的应用研究开辟一条道路。
【图文导读】
图一. 复合纳米颗粒的形成过程以及形貌结构表征：复合纳米颗粒形成的流程示意图（a）；MPDA (b)、MPDA- PPy -0.39 (c)、MPDA- PPy -0.68 (d)和MPDA- PPy -0.97 (e)颗粒的透射电镜图像；氮气吸附-脱附等温线及相应的孔径分布曲线(f).
图二：热重分析(TGA)曲线 (a); Zeta电位(b); XPS谱图(c-f)
图三. 复合纳米颗粒的光热性能研究：颗粒的归一化紫外-可见吸收光谱(a)；颗粒在808 nm处的吸光系数(b); Tauc’s plots (以(αhν)1/2 对hν作图，求得颗粒的间接带隙) （c-f）；颗粒分散液在近红外辐射下的升温曲线以及关掉电源后的降温曲线图(g)；MPDA-PPy-0.39颗粒(30 μg mL-1)在不同功率密度下的升温曲线图(h)；置于加热板(80℃)上比色皿中的颗粒分散液的红外热成像（i）
图四. 细胞实验： 细胞和载钙黄绿素的颗粒共培养的共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像(a)；细胞经与颗粒共培养后存活率的定量评估(b-c)；细胞经颗粒共培养再经近红外光照射后的光细胞毒性曲线(d)；细胞和MPDA颗粒共培养后再利用近红外光照射10分钟后的细胞活死染色结果和流式细胞术分析图(e, g)；细胞和MPDA-PPy-0.97颗粒共培养后再利用近红外光照射10分钟后的细胞活死染色结果和流式细胞术分析图(f, h)。备注：(a)的蓝色和绿色信号分别表示Hoechst33258染色的细胞核与和来自于MPDA-PPy上的钙黄绿素。(e-f)中的绿色信号和红色信号分别表示calcein-AM染色的活细胞和PI染色的死细胞。
【小结】
本项目以介孔聚多巴胺纳米颗粒为载体，实现了对聚吡咯的吸附装载，从而构筑以MPDA-PPy为平台的近红外光热治疗体系。通过疏水作用和π-π堆积将PPy装载到MPDA颗粒中而形成了具有界面异质结结构的π-共轭聚合物组成的杂化纳米颗粒。与主体分子MPDA和客体分子PPy相比，通过提高掺杂聚吡咯的比例后，可以观察到杂化颗粒的带隙能量逐渐减小，近红外光的吸收和光热转换效率明显提高。建筑单元的相似性和分子间的相互作用决定了光生电子转移过程的发生及其反应出来的颗粒的光物理性质。此外，体外研究表明，我们所研制的MPDA-PPy纳米颗粒在近红外光照射下具有高效的杀伤癌细胞的能力。因此，该策略可为具有较窄带隙的杂化聚合物在光热治疗中的应用研究开辟一条道路。
【原文链接】 https://doi.org/10.1002/marc.201900263