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与传统光动力治疗相比，双光子光动力治疗具有高的空间选择性和更好的生物组织穿透性，有望在肿瘤治疗领域发挥巨大的作用。目前，研制出具有大双光子吸收截面的光疗药物是实现双光子光动力治疗的关键技术瓶颈。本论文选取具有药物研究基础的亚苄基环烷烃酮类染料和香豆素类染料为研究对象，设计、合成了新型的双光子光动力治疗用光敏剂分子，通过分子结构与性能的关系研究，逐步筛选出了几个具有实用前景的光敏剂，开展了细胞水平与荷瘤小鼠水平的光动力治疗效果研究。取得了下列研究结果:
1.设计合成了一系列脂水双亲性香豆素类光敏剂(K1-K5)，系统研究了其光物理性质以及细胞水平的光动力活性。发现当分子结构中在香豆素7位有强给电子基团时，光敏剂的摩尔消光系数、双光子吸收截面、三线态量子产率、单线态氧量子产率等性质均明显提高。K4和K5的最大双光子吸收截面分别为1544GM和1556GM，比文献报道的用于双光子光动力治疗的香豆素类光敏剂大两个数量级。通过引入三乙二醇链有利于改善光敏剂的水溶性，但同时会影响光敏剂的细胞摄取率，因而调节适中的脂水双亲性尤为重要。细胞水平的光动力实验结果表明，光敏剂K4和K5对HepG2细胞的单光子光动力杀伤效果接近临床使用的光敏药物PSD-007。同时，它们的双光子光动力杀伤效果非常明显，经光敏剂K4和K5孵育的细胞存活率下降为20％和30％，平行条件下PSD-007没有明显效果。
2.设计合成了一系列亚苄基环烷烃酮类光敏剂(C4-C7)。这4种光敏剂均具有D-π-A-π-D结构，其中二乙氨基为电子给体，酮羰基为电子受体，区别在于分子骨架中环烷烃的碳原子个数不同，影响了光敏剂分子的平面性和π电子离域。碳原子个数增加引起分子共轭程度下降，分子内电荷转移吸收峰蓝移，非辐射失活速率增加，荧光量子产率、单线态氧量子产率、三线态寿命均下降，第一氧化电位上升。通过三态模型计算了双光子吸收截面，并结合偏振荧光数据，深入阐明了该系列光敏剂的结构-性能关系。
3.设计合成了一系列脂水双亲性的亚苄基环丁酮类光敏剂（Q1-Q4），并实现了对S180荷瘤小鼠的双光子光动力治疗。通过引入低聚乙二醇链赋予光敏剂适中的脂水双亲性，其中Q3和Q4在水体系中的溶解度大于100mgmL-1，达到临床静脉注射要求。通过细胞实验发现，这类光敏剂与细胞孵育时能被快速摄取，主要富集于线粒体中，且对细胞没有明显的暗毒性。在532nm激光照射下，光敏剂Q1-Q4的单光子光动力活性均高于临床使用的光敏药物PSD-007。在800nm激光照射下，光敏剂Q2、Q4的双光子光动力活性较高。进一步将光敏剂Q4用于小鼠实验，在皮窗实验中，Q4在800nm激光作用下，封闭了小鼠的微血管;将Q4用于S180荷瘤小鼠时，经800nm激光照射后，肿瘤生长速度受到明显抑制，小鼠生存周期延长，实现了对肿瘤的双光子光动力治疗。