引言：J聚集体，是一类头对尾滑动堆积的有序超分子组装体。因其可显著的红移吸收，增加摩尔消光系数、超发射等优点，在开发近红外（NIR）的光诊疗试剂上潜力非凡。而目前的J型聚集体仅限于有限的染料系统，例如花菁（Cy）、硼二吡咯甲烯（BODIPY）和苝酰亚胺（PDI），往往面临着合成困难、稳定性差、弱的活性氧（ROS）产生能力等问题。此外，J聚集体的开发往往只关注于分子结构调整，以J聚集的获得作为终点，缺乏对J聚集体形成的动力学过程的研究与控制。同时，由于难以同时获得同一分子的J聚集体与和无定型态聚集体，直接清楚的证明J 聚集体的优势仍然困难。因此，开发新的分子骨架和可控的自组装策略来开发高性能的J聚集体并明晰其自组装动力学过程意义深远，但极具挑战性。
供体-受体（D-A）D型小分子荧光团具有合成简单、光物理性质可调等优点；然而，由于同时保持必要的π-π相互作用和适当的滑动角的挑战，D-A型J聚集体很少被报道。近年来，具有聚集诱导发射（AIE）成分的荧光化合物在光学成像和光疗应用方面受到了极大的关注。其独特的扭曲分子构型，有潜力在p-p堆积下诱导合适的滑移角，从而助力于D-A型小分子的J聚集体。此外，研究表明，超声处理有助于将无定形纳米聚集体转化为紧密堆积的纳米晶体，因此考虑到J聚集体的长程有序特质，我们推测超声处理可能助于构建J聚集体。
在此工作中，研究者提出了一种扭曲-平面分子设计以及超声控制的自组装策略，以开发供体-受体（D-A）型J聚集体用于光治疗。研究者选取了聚集诱导发射（AIE）基元作为扭曲结构，并通过调控了π桥长度来调节π平面受体长度，以及与扭曲基元之间的平衡。优化的MTSIC分子展现优秀的J聚集效果（624 nm → 790 nm）。同时超声处理也被证明是有效的引导J聚集的方法。研究表明超声提供了必要的能量来跨越能垒，使得MTSIC可从无定形聚集体经历动力学产物的H-聚集中间体，到达热力学产物的J聚集体。值得注意的是，精准控制自组装过程可以同时获得MTSIC的三种聚集体。进一步封装的MTSIC的J聚集体（J-dots）与无定形聚集体（A-dots）的纳米颗粒进行对比发现，相比于A-dots，J-dots展现出全面增强的光治疗效应，包括吸收大幅度红移、提升的摩尔消光系数、大幅提升的荧光强度、加强的I型ROS生成和更优越的光热效应。因此J-dots在细胞与动物层面也获得了良好的抗肿瘤效果。这篇工作不但促进了D-A类型聚集体的调控以及其J聚集体的设计，同时也提供了超声引导J聚集的策略与对其动力学过程的研究与控制。图1. 扭曲-平面的分子工程调节与超声引导J聚集行为及其过程示意图。选取AIE基元的甲氧基化TPA作为具有扭曲构型的给体，选取吸电特性的IC作为平面构型受体结构，通过调控了作为π桥的噻吩环的数量（0/1/2对应MTIC/MTSIC/MTSSIC），调控分子π平面度和堆积时的弱相互作用。随π桥的延长，分子的吸收与发射展现出逐步红移的趋势。理论计算则表明，此三个分子拥有相似的分子几何，噻吩的引入可以有效延长π共轭平面结构，从而调控分子的扭曲-平面之间的平衡。图3. 超声引导J聚集的示意图及不同分子的超声下的聚集行为变化。超声处理下，三个分子表现出极为不同的现象。MTIC的吸收并未显著变化，而MTSIC与MTSSIC展现出了显著的吸收红移，尤其是MTSIC，吸收可以由624 nm红移到790 nm，表明了其显著的J聚集的形成。而MTSSIC展现出了从634 nm到 688 nm的红移，同时伴随着一个蓝移的吸收峰，表明了其CT-J聚集体的形成。因此，超声可以有效的引导J聚集体的形成，而较短的平面往往具有较弱的结晶能力，从而形成无定形聚集体；而较长的平面会带来强的面对面吸引力，倾向于形成CT-J聚集体。合适的扭曲-平面的平衡利于形成大幅度红移的J聚集体。此外，超声引导J聚集体的形成与溶剂比例也展现出强相关，过多的良溶剂使得分子处于单分子状态难于形成聚集体和转变，而过少的良溶剂会诱导分子形成紧密堆积的聚集体从而阻碍其进一步堆积方式的转变。图4. MTSIC中超声引导J聚集的动力学机理示意图及其控制。在超声处理下，观察到MTSIC会首先形成动力学的H聚集中间体并随后形成热力学的J聚集体。采用低温来稳定热力学不稳定的H聚集中间体，研究中成功捕获稳定的H聚集体，而提升温度则有利于快速跨越中间态达到热力学稳定的J聚集体。单晶结构和以上结果表明，在MTSIC超声诱导过程中，松散堆积的分子会首先形成能量有利的H-二聚体中间体，并进一步堆积形成动力学产物H聚集体；在能量的进一步输入下，H聚集体内的分子会进一步的滑移分子，越过能垒，待到J聚集态。值得注意的是，通过温度、溶剂体系、超声的控制，研究者获得了MTSIC的三种聚集体：无定形聚集体、H聚集体、J聚集体。该三种光物理特性差异巨大的聚集体也可以被捕获入纳米颗粒中稳定存放，这也为研究聚集模式对光物理的影响提供了更多可能性。图5. J-dots与A-dots制备及其光物理性能差异。以往J聚集体的研究往往无法同时获得同一分子的无定形聚集体与J聚集体的纳米颗粒，因此不能充分有力的证明J聚集体的优越性。得益于开发的超声控制自组装过程，研究中获得了MTSIC的多种聚集体，并进一步通过两亲性聚合物封装制备了相应的纳米颗粒，J-dots与A-dots。J-dots相比A-dots其展现出1.6倍提升的摩尔消光系数，20.5倍提升的荧光发射，以及6.9倍提升的ROS产生能力。同时，J-dots也展现出了更加优秀的光热效果与光热稳定性。随后的细胞、动物实验也证明J-dots展现出更好的细胞内的ROS产生能力、更强的光毒性和优秀的光疗抗肿瘤表现。图6. J-dots与A-dots细胞层面的ROS产生及其杀伤差异。总结：本研究选取D-A类型的分子母核和AIE基元，通过调节分子的扭曲-平面的平衡合成了三个分子，三个分子超声下展现出截然不同的聚集行为的变化。太短的π平面度会引导弱的结晶特性从而难以结晶，过长的π平面度则具有H聚集倾向容易形成只有小幅度红移的CT-J聚集体，而合适的扭曲-平面有利于形成大幅度红移的J聚集体。通过MTSIC分子的超声引导J聚集进的动力学研究，可以获得有效的控制其聚集类型的关键调控参数。进一步开发的J-dots和A-dots 更是通过同一分子的不同聚集体，充分展示了J聚集在肿瘤光疗中的显著优势。论文通讯作者为华南理工大学冯光雪教授，南开大学史洋副研究员和南方医科大学胡方教授为本文共同通讯作者，论文第一作者为华南理工大学博士生刘钰博，共同一作为南方医科大学博士生宋雨晨。该研究获得了国家自然科学基金委、广东省重点领域研发计划、广东省分子聚集发光重点实验室等项目的资助。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
