荧光成像技术，以其非侵入性、高灵敏度和高分辨率的特征，已成为疾病早期诊断和治疗的重要工具。传统的聚集诱导发射（AIE）有机高分子荧光聚合物通常由芳香基团和π-共轭亚基构建，常需要复杂的合成步骤和有毒的起始原料，这限制了其在生物医学领域的应用潜力。近年来，具有非芳香发色团的新型发光聚合物材料因其良好的亲水性、环境友好性、优异的生物相容性、生物可降解性、链柔顺性和分子可裁剪性等优点，受到了科学界越来越多的关注。然而，这些聚合物普遍存在荧光量子产率低、发射波长短、发光机制不明确、缺乏响应性和生物功能性等问题。因此，设计和开发具有高荧光量子产率、宽发射范围和生物活性的脂肪族高分子材料，对于深入理解非传统发光机制及其在生物成像和疾病治疗领域的应用具有重大意义。
近日，四川大学高分子科学与工程学院丁明明教授团队联合华西医院骨科运动医学中心付维力教授团队以“Redox-switchable multicolor luminescent polymers for theragnosis of osteoarthritis”为题在Nature Communications上报道了一种基于聚氨基酸的荧光材料用于骨关节炎的诊断和治疗。研究人员以天然氨基酸为单体，设计并合成了一系列不同聚合度的两亲性聚半胱氨酸。这些聚合物能够通过氧化还原反应实现荧光的可逆开关，其荧光强度表现出对分子量、浓度和激发波长的依赖性，且具有AIE特性。
图1. PCys的设计和光物理性质
在本研究中，作者运用含时密度泛函理论（TD-DFT）计算与实验技术相结合的方法，深入探究了聚半胱氨酸的发光机制。研究发现，该聚合物展现出较高的荧光量子产率和优异的氧化还原响应性，能够有效地对氧化还原物质进行定量分析，在疾病的诊断和治疗领域具有潜在的应用前景。
图2. 荧光机理和氧化还原响应性
作者进一步探究了聚半胱氨酸在生物医用领域的应用潜力。鉴于聚合物多色发光特性，研究团队在发现不同激发波长，聚合物均能够清晰地标记细胞形态，从而证实其在多色细胞成像领域的应用前景。同时，研究还利用聚半胱氨酸的氧化还原可切换荧光性能，实现了对细胞内氧化还原物质的定量检测，为生物医学诊断提供了新的策略。
图3. 细胞内多色成像和氧化还原物质定量检测
作者以骨关节炎（OA）为模型评价了聚半胱氨酸用于疾病诊疗一体化的潜力。实验结果表明，该聚合物表现出比一线临床抗氧化药物N-乙酰半胱氨酸更高效的ROS清除能力及更持久的抗氧化活性，有效地预防了OA进展和软骨退化。本研究为非共轭聚合物发光机制的理解提供了新的见解，并且为生物活性和生物响应性医用高分子材料的开发开辟了新途径。这些材料在生物传感、药物递送、疾病诊断和治疗等方面展现出巨大的应用潜力。
图4. 骨关节炎的诊疗一体化
以上研究成果发表于 Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-024-54473-x）。四川大学Chuan Peng和Yuling Zhu为论文第一作者，丁明明教授和付维力教授为论文的通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、四川省科技厅和高分子材料工程国家重点实验室项目资助。
来源：高分子科学前沿
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