马会民Chem，黄云辉Angew，鄢炎发AM，崔光磊AM丨顶刊日报20211226
纳米人
2022-01-05
1. Chem. Rev.: 有机生物电子学用于体外系统
生物电子学在改进临床诊断和精准医学方面取得了长足进步。生物电子学在一方面通过连续、无标记的监测和另一方面对生物活性的精确控制与生物学进行双向接口的潜力已将其应用范围扩展到体外系统。微流体技术的出现以及体外模型在可靠性和复杂性方面的显著进步有望最终显著减少或取代动物研究，动物研究目前是药物发现和毒理学测试的黄金标准。预计生物电子学将在这一转变中发挥重要作用，提供急需的技术来推动药物发现范式。有机电子材料，特别是共轭聚合物，由于其突出的特性和加工的多功能性，在太阳能电池和发光二极管等领域已证明技术成熟，由于其仿生性质等优点，是生物电子学的明显发展方向。
剑桥大学Róisín M. Owens等人在本综述重点介绍了用于与体外生物组织接口的共轭聚合物的进展，最终旨在开发下一代体外系统。作者展示了跨多个长度尺度的体外接口，涉及不同复杂性的生物模型，从细胞成分到复杂的 3D 细胞培养。共轭聚合物对体外系统临床转化的现有技术、可能性和挑战也贯穿始终。Organic Bioelectronics for In Vitro Systems. Chem. Rev. 2021.https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00539
2. Chem：新型罗丹明基荧光团，用于特定生物成像！
罗丹明是一类优良的荧光团，已被广泛用于设计各种荧光探针；然而，对于生物成像而言，它们的最大发射波长相对较短。鉴于此，中科院化学所马会民、李晓花、史文等人报告了一系列具有可变π-共轭系统的新型罗丹明衍生物（ON-Rs），它们可以选择性地与过氧亚硝酸盐（ONOO-）反应，以产生波长大大延长的恶嗪荧光团。这些衍生物很容易通过类似的Stieglitz重排一步合成；单晶X射线证实了1,4-oxazepine的存在。最重要的是，罗丹明 B 的衍生物 (ON-RB) 与 ONOO− 反应后，会释放在近红外波长区域发射的恶嗪部分。使用 ON-RB，研究人员监测了巨噬细胞来源的泡沫细胞中 ONOO-的产生，表明 ONOO-可能主要在脂滴中形成。因此，罗丹明衍生物的新化学性质以及它们与 ONOO−的选择性反应，可能为开发具有更长波长的基于罗丹明的荧光探针用于 ONOO− 的特定生物成像铺平了道路。New rhodamines with changeable π-conjugation for lengthening fluorescence wavelengths and imaging peroxynitrite. Chem 2021.https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.11.023
3. Angew：一种自修复和去溶剂化屏障用于水性锌离子电池实现大容量长寿命Zn电沉积
人工界面可以减轻副反应和金属(如锂、钠和锌)枝晶的形成。然而，传统的方法总是在重复电镀/剥离过程中失效，并且不能调节电极的电沉积行为。近日，同济大学伽龙教授，华中科技大学黄云辉教授报道了设计了一种富含酰胺键和醚键的自修复去溶剂屏蔽层来稳定锌电极。同时，设计的涂层还显示出作为保护层的独特优势。1）首先，受益于酰胺键提供的分子间氢键，涂层显示出极好的自修复能力，以在电化学过程中原位修复循环引起的裂纹。其次，涂层中带有孤对电子的极性原子(如氮和氧)通过配位作用减少了水合Zn2+溶剂化鞘层中的水分子，抑制了Zn2+在锌电解质界面的无规扩散。2）这种自愈式离子调节器(SIR)显著提高了锌负极的电化学性能。即使只有一层约360 nm的镀层，受保护的Zn电极（SIR@Zn）也表现出了无枝晶的Zn沉积，在2 mAh cm−2时的长期稳定性>3500 h，在20 mAh cm−2时的长期稳定性>950 h。这项工作阐明了合理设计先进的锌金属保护涂层的意义，也可适用于其他金属负极。Haoran Du, et al, High-Capacity and Long-Life Zinc Electrodeposition Enabled by a Self-Healable and Desolvation Shield for Aqueous Zinc-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, e202114789DOI: 10.1002/anie.202114789https://doi.org/10.1002/anie.202114789
4. Angew：高效工作锂金属电池动态界面演化的量化
金属锂（Li）被认为是用于下一代高能量密度电池的一种极有前途的负极材料。然而，Li金属电池的低可逆性和错综复杂的锂损耗阻碍了其广泛应用。近日，北京理工大学黄佳琦教授报道了通过实验和模拟相结合，定量区分了非活性Li的早期形成和动态演化，并揭示了Li的动态损耗行为、电解质组成和固体电解质界面层（SEI）结构之间的基本相互作用。1）考虑到Li金属界面在工作电池中的持续动态演化，研究人员阐明了Li在非活性Li中的主要损失形式实际上是由失活Li0和SEI Li+的相对增长率（kLi0/kSEI Li+）所决定。2）通过引入典型的酯/醚类成膜添加剂巧妙地调节SEI，发现了明显的非活性Li的演化过程。此外，1,3-二氧戊环（DOL）能调节高度有序的多层SEI，均匀的颗粒状Li沉积，降低非活性Li的生长速率，从而提高CE和延长电池寿命。3）最后，研究人员得到了SEI结构、死Li0/SEI Li+生长速率以及由此产生的电池界面动力学之间的关系图。所提出的机理见解为揭示Li金属负极的本征界面动力学提供了新的思路，对于合理设计高度可逆的锂负极以制造下一代高能量密度电池具有重要意义。Jun-Fan Ding, et al, Quantification of the Dynamic Interface Evolution in High-Efficiency Working Li Metal Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2021DOI: 10.1002/anie.202115602https://doi.org/10.1002/anie.202115602
5. Angew：通过液滴约束嵌段共聚物共组装获得具有桥接片状结构的Janus光子微球体
人工自组装系统在创造具有先进功能的自然启发的复杂材料方面通常表现出有限的能力。有鉴于此，天津大学的宋东坡等研究人员，通过液滴约束嵌段共聚物共组装获得具有桥接片状结构的Janus光子微球体。1）研究人员展示了一种有效的共组装策略，可方便地创造光反射的复杂光子结构。2）两种不同的亲脂性和两亲性瓶状共聚物（BCP）被放置在收缩的液滴中，分别实现了微相分离和有组织自发乳化的合作工作机制。3）亲油性BCP的层状组合和由瓶状表面活性剂稳定的均匀水纳米液滴同时产生，并共同组合成桥状片状结构，层状和紧密排列的纳米液滴阵列交替排列。4）具有不同的双重光学特性的Janus微球被成功制造出来，只需改变BCP的配方或分子量，反射光的波长就可以高度调整。Qilin Guo, et al. Janus Photonic Microspheres with Bridged Lamellar Structures via Droplet-Confined Block Copolymer Co-Assembly. Angewandte Chemie, 2021.DOI：10.1002/anie.202113759https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202113759
6. AM：双面钙钛矿太阳能电的效率和耐用性
双面太阳能电池具有在不显着增加制造成本的情况下实现比传统单面设备更高的单位面积功率输出的潜力。然而，由于无机薄膜太阳能电池的载流子寿命短和背面复合率高，因此在无机薄膜太阳能电池中实施高效的双面设计具有挑战性。钙钛矿光伏（PV）技术的出现为实现高效双面薄膜太阳能电池创造了黄金机会，因为它们具有出色的光电性能和独特的器件物理特性。更重要的是，透明导电氧化物电极可以防止卤化物离子对电极的腐蚀，减轻钙钛矿器件的一个主要不稳定性问题。托莱多大学鄢炎发和Zhaoning Song等人对此进行全面总结。1）首先，研究人员总结了双面光伏器件的理论，并回顾了双面钙钛矿太阳能电池的优点，例如高功率输出、增强的器件耐用性以及低经济和环境成本。还讨论了双面钙钛矿太阳能电池的局限性和挑战。2）最后，提倡将双面太阳能电池作为钙钛矿光伏用于主流太阳能发电和建筑一体化光伏的可行商业化途径，并提出未来的研究方向。Song, Z., Li, C., Chen, L., Yan, Y., Perovskite Solar Cells Go Bifacial—Mutual Benefits for Efficiency and Durability. Adv. Mater. 2021, 2106805. DOI：10.1002/adma.202106805https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202106805
7. AM：一种可调节阴离子溶剂化的PF6-−选择性渗透的聚合物电解质助力长寿命双离子电池
石墨碳具有可逆的阴离子脱/插层特性，是一种很有前途的低成本、高电压双离子电池（DIBs）正极材料。然而，一个长期存在但被忽视的问题是不完全的界面阴离子去溶，这不仅降低了电解质的氧化稳定性，而且还导致溶剂共嵌入到石墨层中。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员，Huanrui Zhang报道了率先开发了一种具有丰富阳离子季铵基序的“阴离子选择渗透”聚合物电解质，以削弱PF6−与溶剂的相互作用，从而促进PF6−的去溶剂化。1）该策略显著抑制了溶剂共插层，提高了电解液的抗氧化性，保证了石墨的结构完整性。2）实验结果显示，组装好的石墨||Li电池具有优异的循环性能，即使在5.4 V的高截止电位下也能保持87.1%的容量保持率，平均库仑效率为99.0%（基准电解液为95.7%），容量保持率为87.1%。3）研究发现，该聚合物还形成坚固的正极电解质界面，协同工作以实现长寿命的DIBs。这种调节阴离子配位环境的策略为调节溶剂共插层化学提供了一种极有前途的解决方案。Hongzhu Jiang, et al, A PF6−-Permselective Polymer Electrolyte with Anion Solvation Regulation Enabling Long-cycle Dual-ion Battery, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202108665https://doi.org/10.1002/adma.202108665
8. AM: 一种基于逻辑的诊断和治疗水凝胶
糖尿病骨缺损的再生仍然具有挑战性，因为天然愈合过程受到葡萄糖波动（GF）、活性氧（ROS）和蛋白酶（如基质金属蛋白酶、MMPs）过度表达的影响。于此，通过设计由苯硼酸交联聚乙烯醇和明胶胶体组成的双网络水凝胶，大连理工大学王华楠、重庆医科大学陈陶等人开发了一种用于糖尿病骨再生的“诊断性”和治疗性双逻辑水凝胶。1）它表现出一种“诊断”逻辑来解释病理信号（GF、ROS、MMP）并确定何时在糖尿病微环境中释放药物，以及制定不同药物释放程序的治疗逻辑，以匹配免疫骨级联反应，实现更好的组织再生。水凝胶也显示出对骨缺损处的局部复杂性具有机械适应性。2）此外，阐明了潜在的治疗机制，即基于逻辑的货物释放通过重塑线粒体相关的抗氧化系统来调节巨噬细胞极化，从而增强糖尿病骨缺损的成骨作用。总之，该研究为糖尿病骨再生的基于双逻辑组织工程策略的设计和生物学机制提供了重要的见解。Li, D., et al., A Logic-based Diagnostic and Therapeutic Hydrogel with Multi-stimuli Responsiveness to Orchestrate Diabetic Bone Regeneration. Adv. Mater. 2021.DOI:10.1002/adma.202108430https://doi.org/10.1002/adma.202108430
9. AM: 生物膜功能化微马达
近日，加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang和张良方等人综述了适用于各种生物医学应用的生物膜功能化微马达。1）人们对开发具有生物功能、通用性和自适应能力用于生物医学应用的合成微马达有着极大的兴趣。从这个角度来看，细胞膜功能化微马达成为一个有吸引力的平台。这种新型微马达在复杂的生物环境中表现出更强的推进力和引人注目的性能，使其适合各种体内应用，包括药物输送、解毒、免疫调节和光疗。2）本文综述了基于不同微马达设计和这些领域的细胞膜涂层的各种概念验证研究。该综述侧重于马达结构和性能之间的关系，并强调了细胞膜功能化如何克服传统合成微马达面临的障碍，同时赋予它们独特的功能。总的来说，细胞膜功能化微马达有望推动微马达的研究并促进其向实际用途的转化。Zhang, F., et al., Biomembrane-Functionalized Micromotors: Biocompatible Active Devices for Diverse Biomedical Applications. Adv. Mater. 2021, 2107177.DOI: 10.1002/adma.202107177https://doi.org/10.1002/adma.202107177
10. Adv. Sci.综述：MOF气体传感器的发展
由于目前人们对室内/室外空气质量、工业气体泄漏、食品安全新鲜度、医疗诊断等领域的日益关切，因此需要微型化同时具有优异敏感性、选择性、稳定性的低功耗长寿命气体传感器。MOF材料表现了结构多种多样、比表面积超高、孔结构可控、具有主客体相互作用等优点，因此发展基于MOF的气体传感器具有广阔的应用前景。过去一些年间人们在发展具有更高灵敏度和选择性、同时通过分子筛选作用和预先气体浓度富集构建的MOF材料传感器中得到广泛的进展。虽然目前一些文献综述中对该领域的进展从不同角度进行总结，但是没有比较详细的综述报道。有鉴于此，西安交通大学袁泓晔、新加坡国立大学赵丹等综述报道MOF材料在气体传感器领域的应用。1）基于各种不同传导机理，包括化学电阻传感、电容/阻抗、场效应传感、kelvin传感、质量变化敏感、光学传感等技术的传感器进行总结报道。此外，对制备大面积MOF薄膜材料用于制备大量气体传感器的进展进行总结。MOF材料的结构和组分与其气体传感性能有密切关系。2）对基于MOF材料的面临的挑战、存在的机会、实际应用前景进行总结。MOF气体传感器在实际工作中的稳定性是个问题和挑战，特别是在湿度、酸性环境、碱性环境、高压高温等环境，导致器件的性能和寿命受到影响，因此发展具有高价态金属中心位点（比如Ti4+和Zr4+）或者多齿疏水性配体的MOF是个非常好的选择；需要进一步提高对MOF材料的结构-性质关系深入理解，用于设计特定物理化学性质的MOF材料器件；制备大面积的均质性MOF，以及控制厚度、取向、吸附/接触、放置于特定微型电子器件，仍具有非常高的挑战；目前大多数的相关研究主要局限在单一MOF材料，制备多种MOF材料构建的传感器阵列对于传感器在检测多种混合气体的实际操作过程中有更高的意义；通过构建更高级的传感结构改善MOF的传感性能；发展更好的数据处理能力和对MOF传感器进行预训练，实现MOF传感器能够实现自我校正、寿命预期等。Hongye Yuan, et al, Metal-Organic Framework Based Gas Sensors, Adv. Sci. 2021, 2104374DOI: 10.1002/advs.202104374https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202104374
11. Nano Letters：一种基于纺织电极和聚合物水凝胶电解质的柔性可伸缩高性能酶生物燃料电池
生物燃料电池（BFCs）具有良好的生物相容性，有望成为柔性、可穿戴生物电子产品的动力源。近日，同济大学Tao Chen报道了提出了一种由石墨烯/碳纳米管（G/CNTs）复合纺织电极和聚合物水凝胶电解质构成的高度柔性和可伸缩的BFC。1）研究人员利用化学气相沉积(CVD)两步法合成了G/CNTs复合纺织品。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)图像显示，在纺织品中的Ni纤维上生长了起皱的层状石墨烯。采用第二次CVD工艺，以石墨烯为原料，在Fe/Al2O3涂层催化层上生长出定向碳纳米管阵列。2）研究发现，由石墨烯共价生长的碳纳米管阵列不仅可以作为固定化酶分子的导电基底，而且可以在酶和石墨烯电极之间提供有效的电荷传输通道。3）结果表明，所研制的生物燃料电池的开路电压为0.65 V，输出功率密度为64.2 Wcm−2，远高于以往报道的结果。此外，得益于电极独特的织构结构和聚合物水凝胶电解质，生物燃料电池在400次弯曲循环后表现出很高的功率密度保持率，甚至拉伸到60%的高应变。这种具有高度柔性和可伸缩性、高电化学性能的BFCs有望用于未来植入式生物电子学的能源系统。Zilin Chen, et al, Flexible and Stretchable Enzymatic Biofuel Cell with High Performance Enabled by Textile Electrodes and Polymer Hydrogel Electrolyte, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03621https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03621
12. AFM: 可视化的止血材料
出血控制对于提高临床和军事环境中的存活率至关重要。尽管在开发可用于开放手术的止血剂方面付出了相当大的努力，但很少有人关注能够在没有任何光学标记的情况下清楚地识别内部止血和或再出血过程的有效局部止血制剂，尤其是在微创内窥镜干预中。鉴于此，成均馆大学Mikyung Shin等人报道了一种用于肉眼可见出血的光学各向异性局部止血剂。止血剂是通过单宁酸（一种广泛存在于植物中的粘性多酚）与胆固醇液晶之间的非离子自凝聚作用形成的。将止血凝聚层应用于损伤部位，通过立即形成“多酚-血液屏障”，随后从凝聚层上分离的液晶发出绿色光，从而使止血过程可视化。因此，这种光学活性止血材料可能有助于在有限的临床环境中管理和预防与内出血相关的并发症。Jin, S., et al., Optically Anisotropic Topical Hemostatic Coacervate for Naked-Eye Identification of Blood Coagulation. Adv. Funct. Mater. 2021, 2110320.DOI: 10.1002/adfm.202110320https://doi.org/10.1002/adfm.202110320
