北京师范大学曹玮老师课题组Angew：γ射线调控偶氮苯的主客体分子识别

超分子主客体响应体系凭借精准分子开关、高效光活化及优异生物相容性，在智能软材料、生物医用等领域具备广阔应用前景。偶氮苯作为经典动态调控基元，可通过紫外 / 蓝光实现顺反异构化，是构筑光响应主客体体系的核心单元。但传统紫外 / 可见光组织穿透深度极有限（紫外＜100 μm、蓝光仅 100–500 μm），近红外光也难以实现深层组织有效激活，严重制约了这类体系体内深部应用与远程精准调控的落地。同时，现有光响应体系存在异构化光谱重叠、开关不完全、热稳定性差等缺陷，成为领域发展核心瓶颈。

为了解决这一问题，北京师范大学曹玮团队联合沈阳师范大学杨晓博教授团队，创新开发了基于偶氮苯衍生物与大环主体（环糊精、葫芦脲）的γ 射线调控主客体分子识别体系，依托临床低剂量 γ 射线辐照触发分子异构，完美规避传统光响应的穿透局限。在临床常用 2 Gy 低剂量辐照条件下，即可高效驱动偶氮苯顺反异构，实现与环糊精、葫芦脲的精准主客体络合；即便穿透 2 cm 厚猪肉组织，γ 射线诱导异构化效率仍远超蓝光，且体系可稳定循环 10 次辐照 - 复原，具备优异可重复使用性。基于该策略进一步实现原位水凝胶成型，构筑双网络水凝胶，同步实现力学增强、刚性调控与辐射触发自愈，拉伸强度可达～23 MPa、韧性高达～30 MJ・m⁻³，性能媲美工程弹性体且保留超分子动态适配特性。该研究成果以题为“γ-Ray Regulated Host–Guest Molecular Recognition”的论文发表于《Angewandte Chemie International Edition》。

【γ 射线响应主客体识别体系构建】

本研究核心突破在于将传统光控偶氮苯异构化，升级为低剂量 γ 射线精准调控，核心机制依托重金属配位能量转换实现。γ 射线作为电离辐射，具备厘米级深层组织穿透能力，而钆（Gd）、镥（Lu）、镓（Ga）等重金属可通过光电效应高效吸收高能 γ 光子，释放次级电子与活性物种，为偶氮苯异构化提供能量基础。

团队设计合成与 DOTA 金属螯合剂共价偶联的偶氮苯衍生物（GdAzo），缩短偶氮苯与金属配位单元距离，大幅提升辐射响应灵敏度。实验证实，无重金属配位时 γ 射线无法诱导偶氮苯异构，而 Gd、Lu、Ga、Cu 等金属配位改性后，20 Gy 辐照下顺反异构转化率均超 80%，体系普适性极强。通过紫外滴定、ITC、¹H NMR 等表征证实，反式 GdAzo 可与葫芦脲 CB [8]/ 紫精三元复合物、α- 环糊精二元主体形成稳定主客体络合物，结合常数分别达 6.85×10³ M⁻¹、1.54×10³ M⁻¹。实时光谱监测表明，0–20 Gy 剂量区间异构化呈现明显剂量依赖性，且低剂量辐照无副反应，异构化选择性接近 90%。

图1. 辐射诱导的偶氮苯异构化

图2. 剂量区间异构化的剂量依赖性

【γ 射线诱导偶氮苯异构化机制解析】

研究团队通过自由基猝灭实验、Fenton 体系模拟及 EPR 自旋捕获实验，阐明了羟基自由基介导的氧化异构化机制。γ 射线辐照引发水辐解产生高活性羟基自由基（・OH），・OH 氧化顺式偶氮苯形成瞬态自由基阳离子中间体，降低 N=N 键旋转能垒，快速实现顺式向反式构型转变。

实验验证，叔丁醇、乙醇等・OH 清除剂会显著抑制异构化，而 DMSO 可强化氧化通路、提升异构效率；无辐照条件下 Fenton 体系原位生成・OH，即可单独触发偶氮苯高效异构，直接证实・OH 的核心作用。更重要的是，该体系在生物微环境常见氧化（H₂O₂）、还原（GSH）物种共存下仍保持稳定响应，且经 10 次紫外 /γ 射线交替辐照循环后，分子识别性能无明显衰减，区别于传统辐射断键体系，具备可逆调控优势。

图3. 辐射诱导异构化机制

【辐射触发原位凝胶化与双网络水凝胶结构演变】

依托 γ 射线调控主客体识别机制，团队设计合成侧链含偶氮苯与金属 DOTA 功能单元的亲水共聚物 PGdAzo，搭配紫精改性聚乙烯醇（PVA-MV）、海藻酸钠（PSA-MV）等聚合物，实现临床剂量（20 Gy）γ 射线触发溶胶 - 凝胶转变，远低于传统辐射凝胶千戈瑞级超高剂量门槛，契合体内临床放疗剂量窗口（8–70 Gy）。

流变测试显示，γ 射线辐照后水凝胶储能模量提升近 80 Pa，SEM 表征证实凝胶形成规整多孔网络；无 Gd-DOTA 配位的对照聚合物无法实现辐射凝胶化，明确金属配位与主客体络合是凝胶成型的核心驱动力。进一步构筑 PVA 物理交联网络与超分子主客体网络复合的双网络水凝胶，实现结构完整性与动态响应性协同兼顾。

图4. 辐射诱导凝胶化

【智能水凝胶力学性能与辐射可控自愈特性】

性能测试表明，γ 射线调控后的双网络水凝胶实现刚性、强度与韧性同步跃升，辐照后储能模量由 2.3 kPa 升至 14.8 kPa，拉伸强度达～23 MPa、韧性～30 MJ・m⁻³，韧性较辐照前提升 3 倍，力学性能媲美聚氨酯等工程弹性体。该水凝胶含水量仅～8 wt%，介于传统水凝胶与弹性体之间，兼具小形变柔性适配与大形变高承载能力，拉伸至 200% 应变可完全弹性恢复，无永久形变。

尤为突出的是，水凝胶具备辐射激活可控自愈性能：常温自然条件下断裂界面几乎无自愈效果，经 γ 射线低剂量辐照后，依托主客体分子重新识别络合，可快速修复破损界面，恢复结构完整性与力学性能。同时，凝胶辐照前后质量变化＜0.3%，排除脱水作用对力学性能的干扰，明确性能提升源于分子层面主客体交联重构。

图5. 双网络凝胶的力学性能与自愈合展示

总结：该研究首次建立γ 射线调控主客体分子识别新策略，突破传统光响应超分子体系组织穿透深度瓶颈，借助重金属配位能量转换与羟基自由基氧化异构化机制，实现临床低剂量下偶氮苯精准可逆异构。通过分子设计与聚合物组装，构筑兼具超高强度、高韧性、辐射刚性调控及可控自愈的双网络水凝胶，力学性能比肩工程弹性体，同时保留超分子动态自适应特性。这种辐射响应分子调控平台通用性强，可拓展至二硫键、芳基偶氮吡唑等自由基响应分子开关，为软材料力学远程编程、体内智能调控、医用植入支架、放疗协同智能生物材料等领域开辟了全新路径，推动电离辐射从临床治疗向超分子材料精准调控新方向延伸。

课题组招生宣传

本课题组招收优秀直博生、联合培养学生

本课题组聚焦超分子主客体化学、辐射响应智能软材料、刺激响应水凝胶、放射药物化学、功能高分子组装等前沿方向，科研经费充足、实验平台完备，依托北京师范大学教育部重点实验室，拥有大型辐照源、表征测试全套设备及完善的产学研合作平台。

课题组氛围融洽、学术交流自由，深耕《Angew》《Nat. Commun.》等顶刊成果产出，全程一对一悉心指导，支持学生参加国内外学术会议、联合交流及高水平论文发表，助力科研成长与学术深造。

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