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材料吸收低能激发光子，转换为高能发射光子，这岂不是“天方夜谭”？？上转换纳米粒子（UCNPs）其实是可以实现这样相反的效果的。 UCNPs是一种违背Sokes定律，可在近红外光激发下能发生可见光或紫外光的发光材料 。
*土稀**掺杂的UCNPs在生物成像、生物检测、抗肿瘤药物传输及光动力治疗等方面具有广泛的应用。譬如，在荧光标记生物应用领域， 采用近红外光激发不仅能避免自体荧光的干扰，还能克服有机类发光标记物稳定性差以及量子点潜在毒性的缺点，且红外光对生物组织具有良好的穿透能力，可有效避开紫外光对机体的损伤 。作为一种无机纳米材料，传统的UCNPs存在易团聚、水分散性差、生物相容性低等缺点，极大地限制了其在生物医药领域的应用。
通过对UCNPs进行表面功能化修饰（如叶酸、DNA等），能够显著改善UCNPs的水分散性和生物相容性。UCNPs协同可调理化性能的三维网络结构水凝胶可极大拓展其在组织工程领域的应用，本期EFL整理了相关内容供大家参考学习，包括 2篇代表性综述、10篇UCNPs参与水凝胶设计的相关文献及3位上转换领域名师 。
一、综述：UCNPs的生物医学应用
1. Advanced Drug Delivery Reviews（IF=17.873）:用于智能药物运输及医疗设备的上转换纳米粒子；2022.7.7
近十年来，上转换(UC)纳米材料以其独特的生物相容性、近红外到可见光转换、光稳定性、发射带可控、多功能等特点在光动力医学中的应用得到了广泛的研究。UC纳米材料的这些特性使其可用于深层组织生物光子传输应用。在众多的刺激响应传递系统中，光响应传递过程对于发展时空可控的按需“智能”光子药物具有极大的优势。UC纳米材料根据光子UC途径和组成主要分为两类:无机镧系掺杂UC纳米颗粒和有机三重湮灭UC (TTAUC)纳米材料。本文综述了目前无机和有机UC纳米材料的光医学应用，包括光热治疗(PTT)、光动力治疗(PDT)、光触发化疗和基因治疗、多模态免疫治疗、近红外介导的神经调节和光化学组织粘合(PTB)等。我们还讨论了该领域未来的研究方向和进一步临床发展的挑战。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.addr.2022.114419
2. Journal of the American Chemical Society（IF=16.383）:集标记、靶向和药物递送功能于一身的上转换纳米粒子；2018.8.16
有效控制药物释放是提高药物疗效和避免副作用的关键。理想的给药系统应该在正确的时间、正确的位置、正确的剂量无创地给药。UCNPs可将近红外光，转换为可穿透身体更深处，波长更短的NIR, Vis和UV辐射。UCNPs可用作按需药物释放和生物成像应用的原位光源，如在麻醉、伤口愈合、心脏手术和癌症治疗中。本边综述了最近的研究进展和挑战，并提出了潜在的解决方案和未来的应用方向。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.8b03977
二、UCNPs参与水凝胶设计的研究
1. Nature Communications（IF=17.694）：多尺度结构3D打印，NIR聚合有何关系？；2020.7.10
墨水直写（DIW）技术中，虽然紫外线（UV）和蓝光聚合油墨可使目标物体实现交联图案，但是基于UV的面临固化强度和有效范围之间的权衡，且不能轻松实现多尺度并行化。研究者通过墨水设计和引入近红外（NIR）激光辅助模块克服了上述问题，增加了DIW的可扩展性，使得沉积细丝的直径达到4 mm，远远优于任何现有UV辅助的DIW。此外，NIR的有效范围可扩展到数十厘米，并且提供嵌入式写入功能。该设计策略可与其它类型的基于墨水的3D打印技术集成在一起，以进行更广泛的应用。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17251-z
2. Advanced Materials（IF=32.086）：p NIR响应性DNA无机杂化可注射水凝胶，光热疗法高效根除肿瘤！；2020.8.23
手术治疗是当前应用最广的针对实体肿瘤的治疗办法，除了较高的手术风险，还会造成临近脏器的功能损害。研究者开发了一种新型近红外光响应可注射的DNA-无机混合水凝胶（DNA-UCNP-Au水凝胶）。与原始的无机纳米材料相比，DNA-UCNP-Au水凝胶具有较低的细胞毒性，在相同的近红外辐射下升温速度更快。可通过注射局部治疗将水凝胶精确地负载在肿瘤部位周围，消除肿瘤组织，并且有效抑制肿瘤复发，同时对正常组织无副作用。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202004460.
3. Science Advances（IF=14.957）：无创体内3D生物打印修复受损组织和器官；2020.6.5
三维(3D)打印技术在推进临床医学方面具有巨大的潜力。目前，3D打印大尺度产品的体内应用策略仅限于手术植入或暴露创伤处的原位3D打印，两者都需要暴露应用部位。研究者展示了一种基于数字近红外(NIR)光聚合(DNP)的3D打印技术，该技术可以实现组织结构的无创体内3D生物打印。该技术通过数字微镜装置将近红外光谱调制成定制的图案，并进行动态投影，在空间上诱导单体溶液聚合。无需手术植入，在体内获得了具有软骨化的个性化耳状组织结构和肌肉组织可修复的细胞负载适形支架。
原文链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.aba7406
4. Advanced Functional Materials（IF=19.924）：由超大分子DNA与上转换纳米粒组装的DNA水凝胶；2021.11.30
脱氧核糖核酸(DNA)水凝胶通常是通过DNA碱基配对、共价键或物理缠结的分子相互作用合成。为了克服DNA作为材料中唯一模块的局限性，本文报道了一种基于超大分子组装的策略，通过DNA链和上转换纳米颗粒(UCNPs)的界面组装来制备杂化DNA水凝胶，其合成过程在1秒内完成。设计的DNA赋予水凝胶精确识别和分离特定细胞的功能，镧系离子掺杂的UCNPs通过上转换效应保护细胞免受近红外照射的损伤。本文提供了一种DNA基水凝胶制备的新策略。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202107267
5. Advanced Functional Materials（IF=19.924）：3D 光遗传学的光子上转换水凝胶；2021.6.4
许多生物系统对低能光是相对透明的，这不能提供足够的能量来诱导三维光化学。为了克服这一挑战，研究人员开发了一种水凝胶，这种水凝胶能够在负载细胞的3D支架内将红光或近红外(NIR)光转化为蓝光。上转换的光可以激发细胞中的光学活性蛋白，从而引发光化学反应。研究发现水凝胶通过红/近红外照射已被设计成表达蓝光敏感蛋白Cry2olig的HeLa细胞触发光遗传响应。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202010907.
6. Advanced Functional Materials（IF=19.924）：可注射的原位增强水凝胶，用于光热治疗和骨折修复；2021.3.4
恶性骨肿瘤通常伴有骨缺损和严重的病理性骨折，研究者构建了一种新型近红外（NIR）光响应复合水凝胶（UCNP-Au-Alg）以提供出色的光热肿瘤治疗和骨折修复能力。皮下肿瘤模型用于证明肿瘤可以通过局部光热治疗有效根除，在观察期内没有肿瘤复发。此外，注入的水凝胶具有高机械强度，通过稳定骨折的骨骼结构促进骨骼缺陷的修复。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202010779
7. ACS Applied. Materials & Interfaces（IF=10.383）:近红外响应光动力纳米系统结合抗肿瘤免疫光遗传学细菌进行精准协同治疗；2022.3.9
光动力疗法(PDT)和免疫疗法被认为是治疗肿瘤的有效方法。然而，这些治疗系统在PDT过程中仍然存在缺氧、易转移、免疫反应延迟等缺点。本研究利用上转换纳米颗粒(UCNPs)和工程菌作为治疗介质，构建了一个治疗原发肿瘤和远处肿瘤的两步协同治疗平台。第一步，铒离子(Er3+)掺杂的UCNPs作为光开关激活光敏剂ZnPc，产生1O2用于原发性肿瘤治疗。第二步，铥离子(Tm3+)掺杂的UCNPs在近红外(NIR)光激发下发出蓝紫光，激活工程菌产生干扰素(INF-γ)并在肠道内释放，不仅可以直接治疗肿瘤，还可以与PDT作用调节免疫通路激活免疫系统，产生联合免疫治疗作用，抑制远处肿瘤的生长。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.2c01138
8. Journal of Materials Chemistry B（IF=7.571）：“诊疗一体””逻辑的智能水凝胶，精准响应病理微环境、协调骨免疫级联促进糖尿病骨再生；2020.6.8
局部给药可根据外界信号进行可控释放，有望应用于抗肿瘤药物治疗。本文研究者报告了一种由可控近红外(NIR)照射驱动、原位释药的可注射超分子水凝胶(SHG)。该水凝胶以α-环糊精(α-CD)修饰的上转化纳米颗粒(UCNPs)为核心，通过主-客体相互作用进一步组装偶氮苯季铵盐(E-azo)。水凝胶显示了溶胶-凝胶之间的可逆相变和光热转换能力。体内外试验表明载药SHGs能成功抑制癌细胞的侵袭。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/d0tb00935k
9. Nanoscale（IF=8.307）：近红外光调节4D血管生成；2020.6.4
光敏水凝胶是研究细胞反应的有用平台。在此，研究者描述了一种近红外(NIR)控制细胞过程激活(3D细胞扩散和血管生成)的策略，通过将上转换纳米颗粒(UCNPs)嵌入到由光激活细胞粘附基序修饰的水凝胶中。UCNPs可将近红外(974 nm)光转化为局部紫外辐射，并按需激活光化学反应。嵌在水凝胶中的HUVEC细胞可形成确定的预定几何形状的血管网络。近红外光可穿透深度为2.5 mm厚的皮肤组织，激活血管生成反应。该设计策略为4D细胞培养开辟了一条新途径，有潜力应用于动态操作细胞基质相互作用和衍生细胞过程。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/d0nr02552f
10. Macromolecules（IF=6.057）：基于 UCNPs@PDA的复合水凝胶的形成和降解跟踪；2020.3.30
利用荧光探针对工程水凝胶支架的分布和降解进行持续、无创的跟踪是重要的研究课题之一。研究者制备了一种近红外光激发下的上转换纳米颗粒NaGdF4:Yb3+, Er3+@NaGdF4(UCNPs)，并对其进行了聚多巴胺(PDA)包覆。由UCNPs@PDA构建生物可降解复合水凝胶OSA-I-CMCS-I-UCNPs@PDA作为构建单元和NIR激发的荧光探针，以羧甲基壳聚糖(CMCS)为交联剂，通过动态共价席夫碱键将UCNPs@PDA与氧化海藻酸钠(OSA)进行化学交联。结果表明，复合水凝胶具有较强的机械强度、良好的自修复能力、注射性能和良好的生物相容性。荧光强度的下降可得到降解信号与复合水凝胶的重量变化很好地吻合，说明UCNPs@PDA在体外连续监测水凝胶降解的准确性。该复合水凝胶有望成为各种生物医学领域的候选材料，如组织工程和药物载体等。
原文链接：
https://dx.doi.org/10.1021/acs.macromol.0c00072
三、上转换领域名师
01 张洪杰院士
无机化学家。中国科学院长春应用化学研究所研究员。长期从事*土稀**材料的基础与应用研究。主要研究领域：*土稀**发光材料；*土稀**催化材料；*土稀**镁合金材料；*土稀**敏化OLEDs。发展了快速溶胶-凝胶制备新方法，解决了*土稀**杂化发光材料稳定性差的难题，获得了一系列性能优异的*土稀**杂化发光材料；系统研究了*土稀**离子发射强度、能量传递与环境温度之间的关系，解决了*土稀**发光材料温敏涂层全表面精确测量和快速获得模型表面热流分布的关键科学问题和技术，制备出一系列超高声速飞行器风洞测温的*土稀**发光材料等。曾获国家自然科学奖二等奖。
主页：
https://people.ucas.edu.cn/~zhanghongjie
02 刘小钢研究员
新加坡国立大学苏州研究院首席研究员，曾获杰出研究员奖（新加坡国立大学）、总统科学奖（新加坡）等。主要研究领域：*土稀**掺杂上转换发光材料及其应用的研究；纳米材料制备和自组装；生物无机化学和超分子化学；催化表面科学以及纳米生物探针等。
主页： https://liuxg.science.nus.edu.sg/
03 李富友教授
复旦大学化学系教授。曾获上海市优秀学科带头人，第五届上海市青年科技英才提名奖，国家杰出青年科学基金等奖项。主要从事多功能材料与分子影像的研究，发展新的分子影像探针（如荧光探针、MRI成像剂和SPECT/PET探针），探索它们在生物医学中应用。包括（1）光化学传感器、磷光铱配合物与荧光成像研究；（2）上转换发光*土稀**纳米材料与应用；（3）多功能纳米材料与多模式分子影像。
主页：
https://chemistry.fudan.edu.cn/9f/67/c21888a237415/page.htm
（注：以上排名不分先后，由于篇幅限制不能完全罗列，欢迎大家进行补充）
启发：
UCNPs具有许多特殊的光学特性，如非自发性荧光、化学稳定性高、光穿透深度大、寿命长等有点。受此启发，我们是否可以将所设计的材料引入UCNPs，进一步完善丰富其功能应用呢？比如如何利用UCNPs实现深层组织创伤缺损处的3D打印；是否可将UCNPs引入药物递送体系，实现药物的光控释放；是否可视化表征现有组织工程支架材料的降解行为呢？……
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