MIT赵选贺课题组2020年Nature/Science系列部分研究成果集锦

小奇

2020-12-19

首先，非常感谢大家陪伴奇物论走过了不一般的2020年，2020还剩下十多天就结束了。近期，奇物论编辑部会针对全球生物材料三大领域的著名学者在2020年发表的研究论文进行归纳总结，供大家学习和交流。

今天，咱们介绍的是来自麻省理工学院的赵选贺教授。

赵选贺，美国麻省理工学院机械工程系教授。博士毕业于哈佛大学，师从国际著名力学家锁志刚教授。目前该课题组的研究目标是：了解和设计具有空前性能的软材料和探索新型软材料的非凡功能。

近年来，赵选贺团队在Nature, Science, Nature Materials, Science Advances, Science Robotics, Advanced Materials, PNAS, Nature Communications, Physical Review Letters等学术杂志上发表论文130余篇。

以下为该课题组在2020年发表在Nature/Science系列期刊上的研究成果（含部分高水平期刊），下面按照三个领域进行分类

1.水凝胶

2.导电聚合物

3.其他

一、水凝胶

1. Nature Materials：石墨烯复合水凝胶导电生物胶带（点击深度解读）

麻省理工学院赵选贺、南方科技大学郭传飞等人报告了一种电生物粘附（e-bioadhesive）界面，以实现生物电子设备与各种湿动态组织之间的快速、坚固、共形和导电整合。如果电子生物粘附界面位于生物电子设备的电极上，则可以使其具有导电性，从而可以对下层组织进行电记录和刺激。此外，可以通过应用触发溶液从目标组织中良性地撕下电子生物粘附界面，从而允许按需和无创伤地收回植入的生物电子设备。

Deng, J., et al. Electrical bioadhesive interface for bioelectronics. Nat. Mater. (2020).

https://doi.org/10.1038/s41563-020-00814-2

2. PNAS: 可触发分离的即时强韧的生物粘合剂（深度解读）

麻省理工学院赵选贺等人报告了一种生物粘合剂，它可以在各种湿动态组织上形成即时（5 s内）和坚韧（界面韧性超过400 J m^-2）粘附，并且可以按需从粘附的组织上良性地分离。

XiaoyuChen et al., Instant tough bioadhesive with triggerable benign detachment. PNAS2020.

https://doi.org/10.1073/pnas.2006389117

3. Nature Commun.：纳米晶排排队，水凝胶实现抗疲劳粘连

在许多动物的骨骼上，软结缔组织（肌腱、韧带和软骨）的粘附可以在数百万次机械载荷循环中保持高韧性（∽800Jm⁻²）。但合成水凝胶与工程材料之间尚未实现这种抗疲劳粘连，但对于各种应用（如人造软骨和肌腱、坚固的防污涂层和水凝胶机器人）来说，是非常需要这种抗疲劳粘连的。 

有鉴于此，受肌腱/韧带/软骨和骨骼之间纳米结构界面的启发，麻省理工学院赵选贺和华中科技大学臧剑锋等人将合成水凝胶的有序纳米晶结构域结合到工程材料上，由此产生抗疲劳的粘合，界面疲劳阈值为800Jm⁻²，这是因为与无定形聚合物链相比，界面处的疲劳裂纹扩展需要更高的能量来破坏有序的纳米结构。 本文要点：1)通过标准的90°剥离测试表明，水凝胶和基底之间产生显着的抗疲劳粘连，界面疲劳阈值为800 J m^-2。2)研究人员通过表面掠入射小角X射线散射试验和全原子分子动力学（MD）模拟，表明在界面上和整体水凝胶内部引入纳米晶域可协同确保水凝胶-固体界面具有极高的抗疲劳性。3)该方法可以在具有复杂几何形状的多种工程材料上制备抗疲劳水凝胶涂层。而且进一步证明，抗疲劳水凝胶涂层对天然软骨表现出低摩擦和低磨损。 

 Liu, J., et al. Fatigue-resistant adhesion of hydrogels. NatCommun 11, 1071 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41467-020-14871-3 

4.Materials Today；水凝胶机器

赵选贺课题组对于水凝胶机器进行了全面综述。首先根据其应用将各种水凝胶机器分为许多类别。对于每种类别，都将讨论（i）水凝胶机的工作原理，（ii）使水凝胶机具有关键功能的水凝胶的特殊性能，以及（iii）水凝胶机所面临的挑战以及解决这些问题的最新发展。水凝胶机器领域不仅将对水凝胶的基本理解转化为新的应用，还将通过整合水凝胶来改变机器设计的范式，从而可以最大程度地减少与生物体的物理和生理失配。

Xinyue Liu, et al., Hydrogel machines. Materials Toady 2020.

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.12.026

二、导电聚合物

5. Science Advances：湿导电聚合物在各种基材上的强粘合力

麻省理工学院赵选贺教授等人Science Advances发表文章，展示了一种在潮湿的生理环境中，实现了各种导电聚合物在不同绝缘和导电基底上强粘附的通用而简单的方法。这是导电聚合物在生物电子器件领域的又一重要进展。

关键技术：

在基体和导电聚合物之间引入了一层厚度仅为几个纳米的亲水性聚合物胶层，该胶层与基体形成强粘附力，并与导电聚合物形成互穿聚合物网络。

具体而言，研究人员选择亲水性聚氨酯（PU）为原料，来形成纳米尺度的超薄粘合剂层。将粘合剂层引入各种基材上的方法简便易行，常规的旋涂，喷涂或浸涂工艺均可。

方法优势：

1）优异性能。湿导电聚合物与各种基材之间产生超强的界面粘合力，剪切强度超过120 kPa；力学性能和电化学性能稳定，超声60分钟和10,000次充放电循环后未观察到的界面损坏。

2）实用性：不需要高端仪器设备，不需要精细而高难度的操作，工艺简便易行。原料来自于市场上常见的导电聚合物和亲水性PU，不需要进行复杂的化学合成或底物修饰。此外，该方法与导电聚合物常见的溶剂浇铸和电沉积等制造方法兼容，且不会损害导电聚合物的电学或力学性能。

3）普适性：改方法适用于玻璃，聚酰亚胺，聚二甲基硅氧烷（PDMS），氧化铟锡（ITO）在内的各种常用的绝缘和导电基底。此外，还与导电聚合物常见的溶剂浇铸和电沉积等制造方法兼容，且不会损害导电聚合物的电学或力学性能。

总之，这项研究为解决了生物电子器件在潮湿生理环境中的实用性困难，用简便易行的想法，为导电聚合物的实用化进程起到重要推动作用。

图|不同基底上的强附着力

  Inoue A, Yuk H, Lu B, Zhao X. Strong adhesion of wet conducting polymers ondiverse substrates. Science Advances 2020，6，eaay5394.

https://doi.org/10.1126/sciadv.aay5394

6. Nature Commun.：3D打印导电聚合物

导电聚合物在储能、柔性电子、生物电子等领域有着广泛的应用前景。然而，导电聚合物的制备主要依靠传统方法，如喷墨印刷、丝网印刷和电子束光刻，其局限性阻碍了导电聚合物的快速创新和广泛应用。有鉴于此，麻省理工学院赵选贺等人介绍了一种基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)的导电聚合物墨水，实现了导电聚合物微结构的高效、快速3D打印。

本文要点：

1）所得的导电聚合物油墨显示出卓越的3D可印刷性，能够实现高分辨率（超过30 μm），高长宽比（超过20层）以及导电聚合物的可重复生产，这些聚合物也易于与其他3D打印材料（例如绝缘弹性体）集成实现多材料3D打印。

2）3D打印的导电聚合物经干燥退火后可在干燥状态下提供高导电性（电导率超过155 S cm⁻¹）和灵活的PEDOT:PSS 3D微结构。此外，经过干燥退火的3D打印导电聚合物可通过在潮湿环境中溶胀而轻松地转变成柔软（杨氏模量低于1.1 MPa）但具有高导电性（导电率高达28 S cm⁻¹）的PEDOT:PSS水凝胶。

3）PEDOT:PSS的成功3D打印具有重要的现实价值，研究人员进一步以便捷、快速且简化的方式演示了基于3D打印的高密度柔性电子电路和软神经探针的制造。

这项工作不仅解决了导电聚合物3D打印中的现有挑战，而且为基于导电聚合物的柔性电子产品、可穿戴设备和生物电子学提供了一种有前途的制造策略。

Hyunwoo Yuk, et al. 3D printing of conducting polymers. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 1604.

DOI: 10.1038/s41467-020-15316-7

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15316-7

三、其他

7. Science Advances：无需经验也可设计复杂建筑材料

从纳米到米的长度尺度的建筑材料对于各种应用是合乎需要的。增材制造的最新进展已经使复杂结构材料的批量生产在技术和经济上都可行。但是，现有的建筑设计方法通常依赖于经验丰富的设计师的先验知识，从而限制了建筑材料的广泛应用。尤其具有挑战性的是在没有先验知识的情况下以无经验的方式设计具有极端特性的建筑材料，例如各向同性弹性的Hashin-Shtrikman上限。

于此，赵选贺课题组提出了一种无需经验和系统的方法来设计具有生成对抗网络的复杂建筑材料。这些网络是使用模拟数据训练的，这些数据来自数百万个随机生成的结构，这些结构是根据不同的晶体对称性分类的。展示了400多个二维结构的建模和实验结果，这些结构在孔隙率为0.05到0.75的各向同性弹性刚度上接近Hashin-Shtrikman上界。

Yunwei Mao，et al., Designing complex architectured materials with generative adversarial networks. Science Advances 2020.

DOI: 10.1126/sciadv.aaz4169

https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaaz4169

此外，以下为赵选贺教授作为作者之一的发表在Nature/Science系列的研究论文，当然，还有发表在其他期刊上的研究，有兴趣的读者可以前往课题组官网自行阅读。

个人简介：

赵选贺，美国麻省理工学院机械工程系教授。2003 年毕业于天津大学，2009 年博士毕业于哈佛大学机械工程系，师从国际著名力学家锁志刚教授。课题组致力于人与机器之间的界面上发展科学技术，以应对健康和可持续性方面的巨大社会挑战。当前研究的重点是软材料和系统的研究与开发，包括聚合物，水凝胶，生物粘合剂，生物电子学和医疗机器人。

近年来，赵选贺团队在Nature, Science, Nature Materials, Science Advances, Science Robotics, Advanced Materials, PNAS, Nature Communications, Physical Review Letters等学术杂志上发表论文130余篇。他还是美国国家科学基金会事业奖的获奖者，曾获海军研究办公室青年科学家项目奖，及AVS生物材料部的青年研究者奖。