内容提要
本研究合成了 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺，它们在电子给体和受体部分之间分别含有碳 - 碳（C-C）、碳碳双键（C=C）和碳碳三键（C≡C）连接体。与 PS-S⁺和 PS-T⁺不同，含有柔性碳碳双键连接体的 PS-D⁺在白光照射下能够吸收能量，这会增强相连受体基团的摆动并导致非共平面结构的形成。PS-D⁺形成的非共平面结构可以缩小单线态和三线态之间的能隙（ΔEₛ₋ₜ），从而促进系间窜越，提高活性氧的产生量，并将生成机制从 Ⅱ 型转变为 Ⅰ 型。在体外（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）和体内（感染小鼠）伤口敷料实验中，开发的纤维均表现出长期良好的抗菌性能，显示出作为可持续且生物安全的伤口敷料以加速愈合的潜力。
PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺的设计和光物理性质
PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺是使用强电子给体二甲氧基取代的三苯胺（TPA）以及电子受体苯并噻二唑和吡啶合成的。将碳 - 碳（C-C）、碳碳双键（C=C）和碳碳三键（C≡C）连接体分别插入电子给体和受体之间，得到 PS-S、PS-D 和 PS-T。随后与碘甲烷反应生成带正电荷的 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺。三苯胺作为一种可旋转的电子给体，具有聚集诱导发光（AIE）特性，能够抑制非辐射衰减，激活辐射发射和系间窜越。
当在 457、486 和 486 nm 的最大吸收波长下激发时，PS-S、PS-D 和 PS-T 表现出聚集诱导发光效应。这些衍生物在四氢呋喃中不发光，但当不良溶剂水的比例达到 70% 时，其荧光被激活。带正电荷的光敏剂 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺的最大吸收波长发生红移，在四氢呋喃中分别达到约 520、532 和 530 nm。然而，这些光敏剂在溶液和固态下均不产生荧光。在聚集状态下，先前通过非辐射途径消散的激发态能量（S₁）通过增强的辐射跃迁和系间窜越通道释放。这种双通道为同时提高荧光强度和激发至三线态（T₁）提供了显著机会。但这些过程相互竞争，荧光强度的增加可能会阻碍活性氧的产生效率。
PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺活性氧的产生
我们使用通用的活性氧传感器 2,7 - 二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）评估了 PS-S、PS-D、PS-T 以及 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺的整体活性氧产生能力1。当含有每种光敏剂的非荧光 DCFH 溶液在白光（10 mW cm⁻²）下持续照射时，525 nm 处 2,7 - 二氯荧光素（DCF）的荧光强度迅速增加。与商业光敏剂二氢卟吩 e6（Ce6）相比，所有合成的光敏剂都表现出更优异的活性氧产生能力。然而，PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺的活性氧产生能力显著高于其前体 PS-S、PS-D 和 PS-T。通过共轭碳碳双键和碳碳三键将电子受体吡啶连接起来的 PS-D⁺和 PS-T⁺，其活性氧产生能力高于仅含碳-碳键的 PS-S⁺。这种趋势在其前体 PS-S、PS-D 和 PS-T 中也观察到。
我们对表现出更优异活性氧产生能力的 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺所产生的活性氧类型进行了研究。二氢罗丹明 123（DHR123）探针可检测超氧阴离子（O₂⁻），通常用于检测 Ⅰ 型活性氧3。首先，为了排除 Ⅱ 型活性氧对 DHR123 检测结果的影响，我们使用典型的 Ⅱ 型光敏剂玫瑰红（RB）进行了对照实验。在白光照射下，DHR123 溶液随时间发生轻微的光降解，导致 530 nm 处的荧光强度略有增加。在相同条件下加入 RB 后，530 nm 处的荧光强度几乎没有变化。这一结果表明，RB 产生的单线态氧（¹O₂）对 DHR123 的荧光没有显著影响。在持续白光照射下，三种光敏剂存在时 DHR123 在 530 nm 处的荧光强度均逐渐增加，表明产生了 Ⅰ 型活性氧（O₂⁻）。
含有碳碳双键的 PS-D⁺表现出最高的超氧阴离子（O₂⁻）产生能力，尽管其总活性氧产生能力与 PS-T⁺相当。此外，当加入 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺并照射 3 分钟后，观察到荧光显著增强。重要的是，当同时加入氧自由基清除剂维生素 C（Vc）时，DHR123 的荧光强度与未照射状态基本一致，这表明该信号来源于 Ⅰ 型活性氧（O₂⁻）。这些结果有力地证实了 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺主要产生 Ⅰ 型活性氧（O₂⁻），属于 Ⅰ 型光敏剂。
此外，我们使用 9,10 - 蒽二基 - 双（亚甲基）二丙二酸（ABDA）探针验证了单线态氧（¹O₂）的产生，该探针通常用于检测 Ⅱ 型活性氧。当产生单线态氧时，ABDA 在 378 nm 处的吸光度随照射时间的增加而降低。同样，照射 6 分钟后，在二甲基亚砜 / 水混合溶液（水体积分数为 90%）中，相同浓度的 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺存在时，ABDA 在 378 nm 处的吸光度均降低。以 RB 产生的单线态氧输出为 1 时，计算得出 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺的相对产率分别为 2.33、1.71 和 1.75。单线态氧的产生趋势为：PS-S⁺＞PS-T⁺＞PS-D⁺。当使用绿光（495-570 nm，与光敏剂的吸收范围匹配）作为照射光源进行活性氧性能测试时，发现在相同测试条件下，绿光照射表现出更优异的活性氧产生性能。这些结果表明，三种光敏剂均能产生 Ⅰ 型和 Ⅱ 型活性氧。PS-S⁺的总活性氧产生能力最低，但 Ⅱ 型活性氧产生能力最高。PS-D⁺和 PS-T⁺的总活性氧产生能力几乎相同，而 PS-D⁺的 Ⅰ 型活性氧产生能力最高。
为了进一步为 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺产生自由基型活性氧提供确凿证据，我们采用了电子自旋共振（ESR）光谱法。在黑暗条件下，5,5 - 二甲基 - 1 - 吡咯啉 N - 氧化物（DMPO）以及 2,2,6,6 - 四甲基 - 4 - 哌啶（TEMP）与光敏剂溶液混合时，在 ESR 光谱中均未产生任何信号。当用 TEMP 对 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺进行照射时，检测到明显的单线态氧信号。在光照条件下，在甲醇溶液中，将自旋捕获剂 DMPO 与光敏剂混合，可以检测到超氧阴离子信号。此外，在光照条件下，在 DMPO 与三种光敏剂分别混合的水溶液中，可以观察到羟基自由基信号（1:2:2:1），这与顺磁性自由基的产生有关。因此，我们证实了 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺能够同时产生Ⅰ型（O₂⁻和・OH）和 Ⅱ 型（¹O₂）活性氧，其中 PS-D⁺表现出最高的Ⅰ型活性氧产生效率。
PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺的抗菌性能
为评估 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺的光动力抗菌性能，选择大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）分别作为代表性的革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌1。制备了含有不同浓度 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺的二甲基亚砜溶液，并将其溶解在磷酸盐缓冲液中，与细菌悬液共培养。选择强度为 50 mW cm⁻² 的白光作为光源，经证实该光源本身无抗菌活性。首先，在 1.0 μM 的光敏剂浓度下进行抗菌实验。不含 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌对照平板在光照和黑暗条件下均有大量菌落生长。然而，经 1.0 μM PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺处理的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在白光条件下几乎无菌落生长，而黑暗组平板上则有大量菌落。使用不同浓度的光敏剂进行抗菌实验。PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能均随光敏剂浓度的增加而增强。在 0.6 μM 的 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺浓度下，所有组在白光照射下均几乎无菌落生长。0.6 μM 的 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺对大肠杆菌的存活率分别为 7.46%、1.60% 和 3.64%。相比之下，0.6 μM 的 PS-D⁺和 PS-T⁺对金黄色葡萄球菌的存活率均 < 0.1%3。这些体外实验共同证实，在白光条件下，PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺具有强大的抗菌效果，其中 PS-D⁺表现出最高的抗菌活性。
PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺纤维的抗菌性能
采用琼脂平板扩散法对抗菌纤维产生的抑菌圈进行定性分析。将纯纤维素纤维与 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺纤维一同放置在同一平板中，分别在光照和黑暗条件下培养。培养 18 小时后测定抑菌圈宽度。光照条件下，抗菌纤维下方无细菌繁殖，且周围出现清晰的抑菌圈。然而，黑暗条件下的平板上几乎未观察到抗菌圈。当琼脂平板在室内自然光下放置三个月后，抗菌纤维周围区域仍无细菌和霉菌生长，而纯纤维素纤维则被细菌和霉菌覆盖。相反，当琼脂平板置于室内黑暗环境中时，抗菌纤维和纯纤维素纤维周围或表面均被细菌和霉菌覆盖。这些结果表明，抗菌纤维在日光条件下具有长期抗菌能力。随后，采用振荡共培养法评估了不同浓度的 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺纤维的抗菌效果。通过观察不同质量分数的光敏剂抗菌纤维下细菌菌落的生长情况，评估了光敏剂含量对抗菌 efficacy 的影响。在白光照射（50 mW cm⁻²）下，当 PS 浓度＞0.5 wt% 时，PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌 efficacy 均达到 99%。即使经去离子水洗涤 15 次后，纤维的抗菌活性仍保持在＞90%。值得注意的是，随着洗涤次数的增加，光敏剂会溶解到水中，导致抗菌活性氧的生成减少，进而降低纤维的抗菌效果。
用于伤口光动力治疗的抗菌纤维
通过湿法纺丝获得的抗菌纤维经经纬交叉编织，制成约 1.5×1.5 cm2 大小的小型伤口敷料织物。此外，我们建立了金黄色葡萄球菌感染的小鼠伤口模型，并评估了 PS-S⁺、PS-D⁺和 PS-T⁺敷料的抗菌能力。将小鼠随机分为 5 组：感染对照组、纤维素纤维处理组以及 3 个分别用不同抗菌纤维处理的实验组。随着治疗时间的延长，小鼠皮肤伤口面积逐渐减小。第 8 天，经 PS-D⁺和 PS-T⁺纤维处理的伤口愈合情况优于其他处理组。对照组的伤口闭合率为 44.02±14.63%，而 PS-D⁺和 PS-T⁺纤维组的伤口闭合率分别为 80.41±12.35% 和 79.51±8.54%，几乎是对照组的两倍。经 PS-D⁺（P<0.0001）和 PS-T⁺（P<0.0001）纤维处理的小鼠，其伤口愈合率显著高于对照组，但两组之间无显著差异。这表明 PS-D⁺和 PS-T⁺纤维能有效促进感染伤口的愈合。为进一步观察抗菌纤维在伤口愈合的炎症期和生长期的作用，我们在不同时间点采集小鼠皮肤组织，进行苏木精 - 伊红（H&E）染色和 Masson 染色实验。第 5 天和第 8 天，在 PS-D⁺和 PS-T⁺纤维组观察到毛囊生长。第 2 天，PS-D⁺（P<0.05）和 PS-T⁺（P<0.05）纤维组的毛囊生长与对照组相比有显著差异。到第 5 天，这种差异更加明显，毛囊生长水平表现出极显著差异（P<0.0001）。同样，第 8 天，PS-D⁺（P<0.0001）和 PS-T⁺（P<0.0001）纤维组的胶原蛋白沉积丰富且分布均匀，与对照组相比有显著差异。这证实了 PS-D⁺和 PS-T⁺纤维能促进小鼠伤口愈合和毛囊生长。
总结
本研究设计并合成了三种光敏剂，分别为 PS-S、PS-D 和 PS-T，它们在电子给体和受体分子之间分别含有碳 - 碳单键（C−C）、碳 - 碳双键（C=C）和碳 - 碳三键（C≡C）连接体。活性氧（ROS）生成实验和密度泛函理论（DFT）计算表明，用 π 桥分隔给体和受体可显著提高活性氧的整体生成效率。特别是，PS-D 中的柔性碳 - 碳双键在紫外光照射下会发生反 - 顺式光异构化，形成非共平面结构。在此过程中，单线态 - 三线态能隙（ΔEₛ₋ₜ）从 0.968 eV 降至 0.8733 eV，增强了系间窜越（ISC）和活性氧的生成，并将活性氧的生成机制从 Ⅱ 型转变为 Ⅰ 型。
参考文献
Flexible Double Bonds-Enhanced Photodynamic Therapy toward Antibacterial Resistance,Fei Guo, Jiyoung Yoo, Qingqing Zhang,Yu-Ting Zhao, Seokjin Hong, Zi-Ming Zhou, Zhao-Ying Zhu, Hoyeon Jang, Chang-Hai Yi,* Zhen Wang,* and Jong Seung Kim*,J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 27932−27948,https://doi.org/10.1021/jacs.5c07262
