超分子主客體響應體系憑借精準分子開關、高效光活化及優異生物相容性，在智能軟材料、生物醫用等領域具備廣闊應用前景。偶氮苯作為經典動態調控基元，可通過紫外 / 藍光實現順反異構化，是構筑光響應主客體體系的核心單元。但傳統紫外 / 可見光組織穿透深度極有限（紫外＜100 μm、藍光僅 100–500 μm），近紅外光也難以實現深層組織有效激活，嚴重制約了這類體系體內深部應用與遠程精準調控的落地。同時，現有光響應體系存在異構化光譜重疊、開關不完全、熱穩定性差等缺陷，成為領域發展核心瓶頸。

為了解決這一問題，北京師范大學曹瑋團隊聯合沈陽師范大學楊曉博教授團隊，創新開發了基于偶氮苯衍生物與大環主體（環糊精、葫蘆脲）的γ 射線調控主客體分子識別體系，依托臨床低劑量 γ 射線輻照觸發分子異構，完美規避傳統光響應的穿透局限。在臨床常用 2 Gy 低劑量輻照條件下，即可高效驅動偶氮苯順反異構，實現與環糊精、葫蘆脲的精準主客體絡合；即便穿透 2 cm 厚豬肉組織，γ 射線誘導異構化效率仍遠超藍光，且體系可穩定循環 10 次輻照 - 復原，具備優異可重復使用性。基于該策略進一步實現原位水凝膠成型，構筑雙網絡水凝膠，同步實現力學增強、剛性調控與輻射觸發自愈，拉伸強度可達～23 MPa、韌性高達～30 MJ?m?3，性能媲美工程彈性體且保留超分子動態適配特性。該研究成果以題為“γ-Ray Regulated Host–Guest Molecular Recognition”的論文發表于《Angewandte Chemie International Edition》。

【γ 射線響應主客體識別體系構建】

本研究核心突破在于將傳統光控偶氮苯異構化，升級為低劑量 γ 射線精準調控，核心機制依托重金屬配位能量轉換實現。γ 射線作為電離輻射，具備厘米級深層組織穿透能力，而釓（Gd）、镥（Lu）、鎵（Ga）等重金屬可通過光電效應高效吸收高能 γ 光子，釋放次級電子與活性物種，為偶氮苯異構化提供能量基礎。

團隊設計合成與 DOTA 金屬螯合劑共價偶聯的偶氮苯衍生物（GdAzo），縮短偶氮苯與金屬配位單元距離，大幅提升輻射響應靈敏度。實驗證實，無重金屬配位時 γ 射線無法誘導偶氮苯異構，而 Gd、Lu、Ga、Cu 等金屬配位改性后，20 Gy 輻照下順反異構轉化率均超 80%，體系普適性極強。通過紫外滴定、ITC、1H NMR 等表征證實，反式 GdAzo 可與葫蘆脲 CB [8]/ 紫精三元復合物、α- 環糊精二元主體形成穩定主客體絡合物，結合常數分別達 6.85×103 M?1、1.54×103 M?1。實時光譜監測表明，0–20 Gy 劑量區間異構化呈現明顯劑量依賴性，且低劑量輻照無副反應，異構化選擇性接近 90%。

圖1. 輻射誘導的偶氮苯異構化

圖2. 劑量區間異構化的劑量依賴性

【γ 射線誘導偶氮苯異構化機制解析】

研究團隊通過自由基猝滅實驗、Fenton 體系模擬及 EPR 自旋捕獲實驗，闡明了羥基自由基介導的氧化異構化機制。γ 射線輻照引發水輻解產生高活性羥基自由基（?OH），?OH 氧化順式偶氮苯形成瞬態自由基陽離子中間體，降低 N=N 鍵旋轉能壘，快速實現順式向反式構型轉變。

實驗驗證，叔丁醇、乙醇等?OH 清除劑會顯著抑制異構化，而 DMSO 可強化氧化通路、提升異構效率；無輻照條件下 Fenton 體系原位生成?OH，即可單獨觸發偶氮苯高效異構，直接證實?OH 的核心作用。更重要的是，該體系在生物微環境常見氧化（H?O?）、還原（GSH）物種共存下仍保持穩定響應，且經 10 次紫外 /γ 射線交替輻照循環后，分子識別性能無明顯衰減，區別于傳統輻射斷鍵體系，具備可逆調控優勢。

圖3. 輻射誘導異構化機制

【輻射觸發原位凝膠化與雙網絡水凝膠結構演變】

依托 γ 射線調控主客體識別機制，團隊設計合成側鏈含偶氮苯與金屬 DOTA 功能單元的親水共聚物 PGdAzo，搭配紫精改性聚乙烯醇（PVA-MV）、海藻酸鈉（PSA-MV）等聚合物，實現臨床劑量（20 Gy）γ 射線觸發溶膠 - 凝膠轉變，遠低于傳統輻射凝膠千戈瑞級超高劑量門檻，契合體內臨床放療劑量窗口（8–70 Gy）。

流變測試顯示，γ 射線輻照后水凝膠儲能模量提升近 80 Pa，SEM 表征證實凝膠形成規整多孔網絡；無 Gd-DOTA 配位的對照聚合物無法實現輻射凝膠化，明確金屬配位與主客體絡合是凝膠成型的核心驅動力。進一步構筑 PVA 物理交聯網絡與超分子主客體網絡復合的雙網絡水凝膠，實現結構完整性與動態響應性協同兼顧。

圖4. 輻射誘導凝膠化

【智能水凝膠力學性能與輻射可控自愈特性】

性能測試表明，γ 射線調控后的雙網絡水凝膠實現剛性、強度與韌性同步躍升，輻照后儲能模量由 2.3 kPa 升至 14.8 kPa，拉伸強度達～23 MPa、韌性～30 MJ?m?3，韌性較輻照前提升 3 倍，力學性能媲美聚氨酯等工程彈性體。該水凝膠含水量僅～8 wt%，介于傳統水凝膠與彈性體之間，兼具小形變柔性適配與大形變高承載能力，拉伸至 200% 應變可完全彈性恢復，無永久形變。

尤為突出的是，水凝膠具備輻射激活可控自愈性能：常溫自然條件下斷裂界面幾乎無自愈效果，經 γ 射線低劑量輻照后，依托主客體分子重新識別絡合，可快速修復破損界面，恢復結構完整性與力學性能。同時，凝膠輻照前后質量變化＜0.3%，排除脫水作用對力學性能的干擾，明確性能提升源于分子層面主客體交聯重構。

圖5. 雙網絡凝膠的力學性能與自愈合展示

總結：該研究首次建立γ 射線調控主客體分子識別新策略，突破傳統光響應超分子體系組織穿透深度瓶頸，借助重金屬配位能量轉換與羥基自由基氧化異構化機制，實現臨床低劑量下偶氮苯精準可逆異構。通過分子設計與聚合物組裝，構筑兼具超高強度、高韌性、輻射剛性調控及可控自愈的雙網絡水凝膠，力學性能比肩工程彈性體，同時保留超分子動態自適應特性。這種輻射響應分子調控平臺通用性強，可拓展至二硫鍵、芳基偶氮吡唑等自由基響應分子開關，為軟材料力學遠程編程、體內智能調控、醫用植入支架、放療協同智能生物材料等領域開辟了全新路徑，推動電離輻射從臨床治療向超分子材料精準調控新方向延伸。

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