研究背景：

近红外光热转换因其良好的组织穿透性和时空可控性，在肿瘤治疗、抗菌消杀、生物界面调控等领域展现出广阔应用前景。然而，在实际生物组织或其他复杂浑浊介质中，光在传播过程中会受到强烈散射和衰减，导致目标区域可利用的光子数量迅速下降，使得高效光热转换往往依赖更高的激光功率或更高的材料剂量。如何在不显著增加系统复杂度和生物负担的前提下，提高局域光子利用效率，是近红外光热研究中的一个关键问题。

文章概述：

针对这一难题，武汉大学高等研究院梁乐教授联合武汉大学中南医院眼科柯敏团队提出了一种全新的“近红外散射-吸收耦合”策略，通过将纳米金刚石（ND）作为宽谱散射体、金纳米星（AuNS）作为高效吸收体进行协同设计，实现了复杂介质中的光子富集与高效热转换。研究表明，ND可以通过多重散射延长近红外光在局域环境中的停留时间并提高光子密度，而邻近的AuNS则可将这部分被“困住”的光子高效转化为热，从而产生超加和的光热输出。作者结合有限差分时域模拟（FDTD）与蒙特卡洛光子输运模拟，建立了一个从纳米尺度近场耦合到宏观温升响应的多尺度理论框架，为“散射体-吸收体”耦合提供了可推广的设计规则。在后续的凝胶、细菌、细胞及动物实验中均证实了这一策略的实用性。

图文导读

图1.多尺度理论与实验框架揭示了AuNS-ND耦合体系的核心机制：模拟证明纳米金刚石通过多重散射提高局域近红外光子密度，金纳米星则高效吸收富集光子并转化为热；细胞内吞过程进一步驱动两者在溶酶体中富集，形成局域光热“热点”，为动物肿瘤杀伤增强提供理论基础。a-d. FDTD和蒙特卡罗理论模拟结果。 e-g. 后续实验设计

作者进一步在琼脂糖凝胶中共嵌入AuNS与不同浓度ND，验证其协同集光效应。结果表明，在相同AuNS浓度下，引入ND后体系温升曲线整体上移；在距离激光照射点3 mm处，AuNS单独组20 min温升约为5.5 °C，而随着ND浓度升高，温升可提升至约8、9和10.5 °C，最高较AuNS单独组提升约90%。这一结果说明，ND并非简单叠加一个微弱热源，而是通过提高AuNS周围的有效光子供给，显著放大了AuNS的光热效率。

图2.AuNS与ND共嵌入后表现出显著增强的近红外集光与升温能力。随着ND浓度增加，体系在不同测温位置的温升均明显提高，证明散射-吸收耦合能够带来超加和光热增强

进一步地，作者利用带有NV色心荧光信号的ND与AuNS共同孵育HeLa细胞，发现二者可通过细胞内吞共同富集于晚期内体/溶酶体，并在细胞内形成纳米尺度“热点”区域。单颗粒原位光谱和共定位分析显示，两种纳米颗粒在细胞内具有显著空间重叠，Pearson相关系数约为0.70。这意味着，材料之间所需的空间邻近条件可以借助细胞自身的内吞运输过程自然实现，无需额外复杂的靶向修饰。

图3.细胞内吞作用驱动AuNS与荧光ND在溶酶体区域共定位富集，形成局域“热点”。红色代表AuNS散射信号，绿色代表ND荧光信号，合并后大量黄色区域表明二者在细胞内高度重叠

这种细胞内“热点”结构最终带来了显著降低激光剂量的光热消融效果。剂量-效应分析显示，AuNS+ND组实现50%细胞死亡所需的激光功率密度降低约4.2倍；同时，在体内肿瘤模型中，AuNS+ND组可实现更强的局部升温，并获得约75%的肿瘤抑制率。上述结果表明，这一散射-吸收耦合策略不仅适用于体外模型，也具有良好的体内转化潜力。

总体而言，该工作提出了一种不同于“单纯增加吸收体”或“直接提高激光功率”的新思路：通过散射体与吸收体的协同耦合，在复杂介质中主动管理光子供给，从而在更低剂量、更低功率条件下实现高效光热转换。由于这一原理具有模块化和可推广性，未来有望拓展至精准肿瘤治疗、抗感染治疗以及更多光响应生物医学与催化应用场景。

武汉大学高等研究院研究生吴泽斌， 包昌明和中南医院眼科研究生张鹏宇为共同第一作者，武汉大学高等研究院梁乐和中南医院眼科柯敏，张楠为共同通讯作者。

论文信息：

Light-Harvesting Photothermal Hotspots Enabled by NIR Scattering-Absorption Coupling

Zebin Wu, Changming Bao, Pengyu Zhang, Tao Ding, Weiming Lin, Haodong Li, Wenjian Luo, Xizhi Deng, Hao Wang, Guanle Li, Hongyue Hu, Ye Wang, Dawei Jiang, Yu Zhang, Sisi Jia, Nan Zhang*, Min Ke*, Le Liang*

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202523721

原文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202523721

期刊介绍：

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