Planar donor and acceptor (D–A) conjugated structures are generally believed to be the standard for architecting highly efficient photothermal theranostic agents, in order to restrict intramolecular motions in aggregates (nanoparticles). However, other channels of extra nonradiative decay may be blocked. Now this challenge is addressed by proposing an "abnormal" strategy based on molecular motion in aggregates. Molecular rotors and bulky alkyl chains are grafted to the central D–A core to lower intermolecular interaction. The enhanced molecular motion favors the formation of a dark twisted intramolecular charge transfer state, whose nonradiative decay enhances the photothermal properties. Result shows that small-molecule NIRb14 with long alkyl chains branched at the second carbon exhibits enhanced photothermal properties compared with NIRb6, with short branched chains, and much higher than NIR6, with short linear chains, and the commercial gold nanorods. Both in vitro and in vivo experiments demonstrate that NIRb14 nanoparticles can be used as nanoagents for photoacoustic imaging-guided photothermal therapy. Moreover, charge reversal poly(β-amino ester) makes NIRb14 specifically accumulate at tumor sites. This study thus provides an excited molecular motion approach toward efficient phototheranostic agents.

Abstract Phototheranostics that concurrently and complementarily integrate real‐time diagnosis and in situ therapeutic capabilities in one platform has become the advancing edge of precision medicine. Organic agents possess the merits of facile preparation, high purity, tunable photophysical property, good biocompatibility, and potential biodegradability, which have shown great promise for disease theranostics. This review summarizes the recent achievements of organic phototheranostic agents and applications, especially which rationally utilize energy dissipation pathways of Jablonski diagram to modulate the fluorescence emission, photoacoustic/photothermal production, and photodynamic processes. Of particular interest are the systems exhibiting huge differences in aggregate state as compared with the solution or single molecule form, during which the intramolecular motions play an important role in regulating the photophysical properties. The recent advances from such an aspect for biomedical applications including high‐resolution imaging, activatable imaging and therapy, adaptive theranostics, image‐guided surgery, immunotherapy, and afterglow imaging are discussed. A brief summary and perspective in this field are also presented. We hope this review will be helpful to the researchers interested in bioprobe design and theranostic applications, and inspire new insights into the linkage between aggregate science and biomedical field.

Semiconducting polymer nanoparticles (SPNs) emitting in the second near-infrared window (NIR-II, 1000–1700 nm) are promising materials for deep-tissue optical imaging in mammals, but the brightness is far from satisfactory. Herein, we developed a molecular design strategy to boost the brightness of NIR-II SPNs: structure planarization and twisting. By integration of the strong absorption coefficient inherited from planar π-conjugated units and high solid-state quantum yield (ΦPL) from twisted motifs into one polymer, a rise in brightness was obtained. The resulting pNIR-4 with both twisted and planar structure displayed improved ΦPL and absorption when compared to the planar polymer pNIR-1 and the twisted polymer pNIR-2. Given the emission tail extending into the NIR-IIa region (1300–1400 nm) of the pNIR-4 nanoparticles, NIR-IIa fluorescence imaging of blood vessels with enhanced clarity was observed. Moreover, a pH-responsive poly(β-amino ester) made pNIR-4 specifically accumulate at tumor sites, allowing NIR-IIa fluorescence image-guided cancer precision resection. This study provides a molecular design strategy for developing highly bright fluorophores.

Abstract The shortened Abstract is as follows: Therapeutic gas nitric oxide (NO) has demonstrated the unique advances in biomedical applications due to its prominent role in regulating physiological/pathophysiological activities in terms of vasodilation, angiogenesis, chemosensitizing effect, and bactericidal effect. However, it is challenging to deliver NO, due to its short half‐life (<5 s) and short diffusion distances (20–160 µm). To address these, various polymeric NO delivery nanoplatforms (PNODNPs) have been developed for cancer therapy, antimicrobial and cardiovascular therapeutics, because of the important advantages of polymeric delivery nanoplatforms in terms of controlled release of therapeutics and the extremely versatile nature. This reviews highlights the recent significant advances made in PNODNPs for NO storing and targeting delivery. The ideal and unique criteria that are required for PNODNPs for treating cancer, cardiovascular diseases and infection, respectively, are summarized. Hopefully, effective storage and targeted delivery of NO in a controlled manner using PNODNPs could pave the way for NO‐sensitized synergistic therapy in clinical practice for treating the leading death‐causing diseases.

Achieving multicolor afterglow modulation from single conventional chromophore-based room temperature phosphorescence (RTP) materials is attractive but challenging. Herein, a facile palette strategy based on physical doping of red afterglow-emitted chromophore (N8) into sodium alginate (SA) is proposed to achieve large range of multicolor afterglow modulation for single conventional chromophore-based RTP materials. As well as being a key luminous component in the color palette, SA with cyan afterglow (upon 254 nm UV irradiation) can also activate the red afterglow of N8 via strong hydrogen bond interactions. Through regulating the doping ratios of N8 to SA, cyan to red afterglows have been achieved in the formed amorphous N8/SA films. Significantly, the afterglow of N8/SA also exhibits excitation wavelength- and time-dependent characteristics, which further extend the range and tunability of afterglow color. Besides, the phosphorescence lifetime of N8-based SA films could be further improved by chemically grafting N8 to SA, with a lifetime of 464.9 ms. Considering the excellent multicolor afterglow tunability and hygrothermal responsiveness, these smart SA-based materials demonstrate great application prospects in information encryption, anti-counterfeit ink painting, and 3D afterglow aerogel.