细胞重编程Nature Materials，水凝胶Science Advances丨顶刊日报20220813

纳米人

2022-08-14

1. Nature Materials：瞬时核变形引发表观遗传状态并促进细胞重编程

细胞重编程技术可用于衍生所需的细胞类型，并在再生医学、疾病建模和药物筛选中具有广泛的应用。直接重编程能够通过绕过多能阶段和耗时的分化过程将一种细胞类型转化为另一种所需的细胞类型，例如将成纤维细胞转化为诱导神经元 (iN) 细胞和其他细胞类型。然而，这些转化过程的低效率为生物医学应用带来了障碍。

细胞重编程的一个关键步骤是克服异染色质的表观遗传屏障并打开内源基因进行细胞类型转换。以前的大多数研究都集中在转录因子和生化因子在细胞重编程中的作用，但对生物物理因素的影响知之甚少。细胞在短时间和长时间尺度（从几秒到几天）都会经历机械刺激，这可能会导致机械化学信号传导、细胞骨架重组和染色质以脉络相关的方式发生变化。

为了直接确定核变形对染色质重塑的影响，加州大学洛杉矶分校李松等研究人员研究了机械挤压悬浮细胞是否以及如何调节表观遗传状态和细胞重编程，并探索了这种用于机械应用的方法。

研究人员表明由限制在微流体通道中引起的细胞核的毫秒变形导致核层起皱和瞬时解体，染色质中层相关结构域的局部分离和组蛋白甲基化（组蛋白 H3 赖氨酸 9 三甲基化）和DNA甲基化。细胞重编程早期染色质的这些全局变化促进了成纤维细胞向神经元的转化，并且可以通过抑制组蛋白 H3 赖氨酸 9 和 DNA 甲基化来部分复制。

这种机械启动方法还触发巨噬细胞重编程为神经元和成纤维细胞转化为诱导多能干细胞，因此是一种有前途的基于机械的细胞工程表观遗传状态调节方法。

Song, Y., Soto, J., Chen, B. et al. Transient nuclear deformation primes epigenetic state and promotes cell reprogramming. Nat. Mater. (2022).

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01312-3

2. Science Advances: 两亲性和抗疲劳有机水凝胶，用于小直径血管移植物

水凝胶因其良好的生物相容性而被用于血管组织工程。然而，大多数天然水凝胶表现出高溶胀率、较差的机械稳定性和低耐久性，这是更广泛应用的关键限制。

通过不饱和功能性微生物多羟基链烷酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯的点击化学反应以及二维材料石墨二炔的组合，中国科学院广州生物医药与健康研究院巫林平、华中科技大学孙家明和清华大学陈国强等人制备了两亲性和抗疲劳的有机水凝胶。

本文要点：

1）随着时间的推移，这些有机水凝胶在体液中保持稳定，经过2000 多次循环拉伸后，它们的拉伸模量保持不变。管状支架在体外表现出良好的生物相容性和灌注性。

2）在体内移植后，血管移植物表现出明显的细胞浸润和组织再生，3个月内通畅率高于对照组。该制备方法为改进和促进有机水凝胶作为小直径血管移植物植入材料的应用提供了一种策略。

3. Nature Commun.：晶相选择性重结晶构建具有优异延展性的高熵合金

优异的延展性对于金属或者合金的成型或者强化都非常关键，目前人们广泛使用的延展性合金材料面临着非常有限的延展性，而且与其他先进的结构材料相比，并不能体现比较强的竞争性。有鉴于此，西北工业大学王锦程、王志军、浦项科技大学Hyoung Seop Kim等报道一种概念独特的晶相选择性重结晶，能够通过完全的触发双重应变硬化实现增强应变的硬化能力，从而克服延展性合金的挑战。

本文要点：

1）通过控制延展性高熵合金的变形分解（strain partitioning），能够实现晶相选择性的重结晶微结构，从而得到晶相较硬骨架结构内嵌有完全重结晶的较软晶相的材料。这种高熵合金材料的微结构通过去除弱界面实现完全的应力释放。

2）这种晶相选择性重结晶高熵合金能够在~2 GPa的真实应力呈现均匀伸长的高延展性（~35 %），这个概念能够非常普遍的适用于各种同时含有硬晶相和软晶相的延展性合金材料，同时为将传统的延展性合金材料发展为高强度金属材料提供一种新方法。

4. Nature Commun.：高度分散Ru用于木质纤维素的还原催化分馏

以可分离和高效的方式从木质素生物聚合物解聚生产单体酚受到了最大限度地利用可持续木质纤维生物质的关注。近日，北京林业大学宋国勇教授，王水众，北京化工大学Yunming Fang报道了一种低负载、高分散的Ru催化剂，固定在壳聚糖衍生的氮掺杂碳（RuN/ZnO/C）上，在木质纤维素的还原催化分馏中表现出优异的性能。

本文要点：

1）木质素合成酚类单体的产率接近理论最大值，TON为431 mol_phenols mol_Ru⁻¹，是工业Ru/C催化剂的20倍，此外对丙基端链愈创木酚和丁香酚的高选择性使它们很容易得到提纯。

2）由于生物质抗性的成功分解，RCF使(半)纤维素易于酶解。此外，得益于Ru物种与N原子的配位，RuN/ZnO/C催化剂在循环实验中以及在苛刻的水热处理后显示出良好的稳定性。

3）RuN/ZnO/C的表征表明，在当前的反应条件下，Ru原子从单原子转变为纳米团簇。时间历程实验以及一系列木质素模型化合物的反应活性筛选，为RuN/ZnO/C上的当前RCF机理提供了深入的了解。

这项工作为从木质素中获得有价值的芳香产品和促进木质纤维素生物质的工业经济可行性提供了新的机会。

5. AM封面：个性化电子纹身！

传统的电子皮肤是一类主要在实验室或工厂制造的薄膜电子产品，无法快速简单地定制个性化医疗保健。于此，韩国科学技术院Steve Park等人介绍了一类新的电子纹身，它可以通过简单的一步涂层直接在皮肤上实现，根据用户的目的，在没有基底的情况下进行多尺度的各种设计。

本文要点：

1）电子纹身是通过在镓基液态金属颗粒（CMP）上附着Pt修饰的碳纳米管来实现的，以施加固有的导电性和机械耐久性。将CMP悬浮液调整为具有低zeta电位、优异的润湿性和高蒸气压，可以在10秒内将颗粒直接适形和紧密地组装在皮肤上。

2）CMP的低成本、易于制备、皮肤上兼容性和多功能性使其非常适合电子纹身。电肌肉刺激器、光热贴片、无运动伪影电生理传感器和电化学生物传感器的演示验证了生物医学工程中基于电子纹身的方法的简单性、多功能性和可靠性。

6. Nano Letters：亲镁涂层实现镁金属复合负极的高利用率

金属镁（Mg）是一种有前途的高容量负极材料，用于锂离子电池以外的储能技术。然而，大多数报道的Mg金属负极只能在浅循环（≤1 mAh cm^-2）条件下循环，因此Mg利用率很低(< 3%)，大大降低了它们的能量密度特性。近日，新加坡科技研究局Zhi Wei Seh使用亲Mg涂层修饰的商用铜箔，开发了一种深度循环和高度可逆的复合金属镁负极。

本文要点：

1）实验研究、密度泛函理论（DFT）计算和COMSOL模拟表明，亲镁涂层可以促进镁离子的快速传输，均匀电场和离子通量分布，降低镁成核过电位，引导镁均匀沉积，保护镁金属免受寄生反应的影响。

2)因此，镀镁的Au−Cu电极在超过170 h的循环中具有99.16%的平均CE，同时具有高的镁金属利用率(75%)。

这项工作为合理设计高利用率和可逆性的复合镁负极提供了参考，推动了未来高能量密度RMBs的发展。

7. AFM: 仿生阵列，用于高性能多物质传输

在自然界中，许多生物体能够根据需要运输物质，如气泡、液滴或固体，以满足其生存需要。受这些独特行为的启发，人们开发了各种物质传输策略，在微流体、微电子和生物医学领域有着广阔的应用前景。然而，实现多种物质（气体、液体和固体）的运输仍然具有挑战性。

于此，中国科学技术大学吴东、胡衍雷等人提出了一种三重生物启发的润滑 滑磁响应微孔板阵列 (LS-MMA)，该阵列整合了鱼鳞、猪笼草和呼吸纤毛的特性，用于多物质运输。

本文要点：

1）在运动磁场的驱动下，微孔板依次弯曲、重叠，形成连续的大曲率光滑表面。随着光滑表面的连续运动，可以实现多物质的主动运输。

2）气泡、液滴和固体玻璃球的传输速度可以达到5、14和80毫米每秒。由于润滑剂对物质的毛细管粘附性，LS-MMA还实现了气泡和液滴的3D按需传输。基于LS-MMA的多物质传输策略提高了目标操作的适用性和灵活性，在微化学反应和生物医学工程领域具有广泛的潜在应用。

8. AFM：机械稳定的全柔性超级电容器，在严酷温度下具有抗断裂和抗疲劳性

对于航空航天和机器人工程领域的实际应用，柔性储能器件必须在环境温度和不同变形情况下保持稳定。

于此，中国科学院福建物质结构研究所官轮辉等人通过将聚苯胺 (PANI) 原位聚合到交联聚乙烯醇 (PVA) 和聚丙烯酰胺/丙烯酸 (PAM/AA) 的双网络水凝胶电解质上，合成了在恶劣环境温度下机械稳定的超级电容器（SC）。

本文要点：

1）高度集成的结构赋予了超级电容器前所未有的机械性能。这些设备可以承受 608%的拉伸应变，并且可以拉伸高达50%而没有明显的滞后，在数千次循环载荷下表现出抗疲劳和抗断裂性。

2）得益于通过 PANI 电极无缝集成的全柔性配置，超级电容器具有 95.8 mF cm^-2 的高比电容。它还可以作为全柔性设备工作，并在复杂变形甚至物理损坏的情况下保持稳定的输出。此外，该器件在-60 至 100 °C 的极端温度下运行后，通过稳定的电化学性能提供出色的环境适应性。这种多功能超级电容器通过为在恶劣环境中运行的设备供电，在集成柔性电子系统中呈现出潜在的应用。

9. ACS Nano：电子注入和原子界面工程实现稳定的缺陷的富1T-MoS₂作为高倍率储钠负极

1T相MoS₂具有金属导电性、丰富的活性中心和高理论容量，是一种很有前途的电化学储能电极材料。然而，由于亚稳态1T相通过再堆叠习惯性地转化为稳定的2H相，在高电流密度下差的倍率容量和循环稳定性阻碍了它们的应用。近日，山东大学Gang Lian，Mingwen Zhao，Haohai Yu获得一种稳定的缺陷的富1T相MoS₂，其表现出超高的倍率容量和可逆性。

本文要点：

1）首先，通过原位水热反应将一个关键的多羟基分子(抗坏血酸，AsA)插入相邻的MoS₂单层之间，合成了具有交替插入的AsA分子的MoS₂，命名为MoS₂ /AsA。其次，将前驱体在氩气中800°C退火2 h后，成功获得了单层碳（m-C）交替嵌入的缺陷富1T-MoS₂纳米花，命名为富1T-MoS₂/m-C。

2）研究发现，OH的掺杂和通过m-C插层的层间膨胀分别有利于富MoS2的形成和稳定。相应的理论研究也证明了OH掺杂对形成1T相MoS₂的积极作用，以及可改善Na离子在1T相MoS₂中的吸附能和扩散动力学。

3）重要的是，缺陷型富1T-MoS₂/m-C纳米花表现出出色储钠性能，包括大比容量（在0.1 A g⁻¹循环80次后，容量为557 mAh g⁻¹），高倍率性能（在10 A g⁻¹循环下，容量为411 mAh g⁻¹），以及长期循环稳定性（在2 A g⁻¹循环1000次后，容量为364 mAh g⁻¹）。相应的全电池也具有良好的循环稳定性。

10. ACS Nano：决定钾离子电池石墨负极循环稳定性的关键因素

石墨不仅是商业化锂离子电池(LIBs)最常用的阳极材料，也是新兴的钾离子电池(PIB)最常用的阳极材料。然而，使用传统稀酯基电解质体系的PIBs中的石墨负极显示出明显的容量衰减，这与LIBs中非凡的循环稳定性形成对比。更有趣的是，用于PIBs的浓电解质中的石墨表现出优异的循环稳定性。不幸的是，迄今为止，这种循环性能的显著差异并没有引起人们的关注。

基于此，清华深圳国际研究生院康飞宇教授，翟登云报道了两种典型的电解质，即稀释的EC/DEC电解质和高浓度的基于醚的电解质。然后使用这两种电解质的石墨负极在LIBs和PIBs中进行比较。

本文要点：

1）结果表明，在PIBs中，较大的体积膨胀不是导致石墨负极严重容量衰减的主要原因，而SEI的稳定性是保持高容量保持率的关键。当EC/DEC电解液用于PIBs时，在石墨表面产生含有一种低聚物组分的累积SEI。SEI的不断积累阻碍了K⁺离子的嵌入和脱出，最终导致石墨负极的容量衰减。

该工作对PIBs中石墨容量损失给出了更明确的解释，并对稳定的SEI对石墨负极循环稳定性的重要影响有了更深刻的理解。

11. ACS Nano：可调混合导电界面助力无枝晶锂金属电池

具有高能量密度的锂(Li)金属电池在下一代储能方面具有很大的应用前景，但其存在严重的不可控Li枝晶生长和不稳定的固体电解质界面。近日，厦门大学Laisen Wang，Dong-Liang Peng，Qingshui Xie制备了一种离子导体和电子导体比例可调的Li₂O-LiZn纳米颗粒组装薄膜。

本文要点：

1）通过调整MIEC SEI膜的组成和结构，平衡了界面中的电荷转移和Li⁺离子迁移，这是高界面动力学的原因。因此，通过引入MIEC Li₂O−LiZn界面相可以获得低的界面阻抗、高的离子扩散系数和均匀的Li沉积行为。

2）实验结果显示，在电流密度为1 mA cm−2时，具有MIEC界面的对称电池具有超过1200 h的长寿命。MIEC相界面使得电视在5 C的倍率下稳定循环2000次，此外，Li||Zn-ZnO-M||LFP全电池具有91.5%的极高容量保持率。即使在高负载量的商用LFP正极材料（13.27mg cm⁻²）下，全电池也可以保持350次循环，具有117mAhg⁻¹的高可逆容量。

离子/电子复合导电薄膜对改善界面动力学、稳定锂沉积具有重要意义。

12. ACS Nano：激光诱导水热法快速合成多功能磷灰石

合成生物材料被用来克服人类衍生生物材料的数量有限，并赋予额外的生物功能。虽然人们已经开发了许多使用不同阶段和方法的合成工艺，但目前常用的工艺存在一些问题，例如工艺时间长，难以实现广泛的尺寸控制和高浓度的金属离子替代以实现额外的功能。近日，首尔大学Seung Hwan Ko，韩国科学技术研究院Yu-Chan Kim，Hojeong Jeon报道了一种激光诱导水热合成技术，它基于纳秒激光脉冲与热库之间的高温诱导热相互作用，可以在几秒钟内合成陶瓷颗粒。

本文要点：

1）利用该工艺可以合成20 nm~6 μm不同尺寸的羟基磷灰石，并成功地获得了离子浓度可控(分别为3.79、14.67和11.67wt%)的镁、锶、锌离子取代的磷灰石颗粒，其中包括人类硬组织中第二丰富的生物矿物--白锁石。令人惊讶的是，在仅10分钟的反应中就合成了大约3 μm大小、不同镁含量的结晶白石。与之前报道的合成约100纳米大小的白铁矿的方法相比，LHS在相同的反应时间内合成了30倍大的白铁矿。

2）基于适当的假设和验证，研究人员证明了热储层的最高温度产生了一个稳健的化学合成反应速率，并主导了合成粒子的性质。用Arrhenius化学反应理论拟合自定义吸光度实验的线性回归表明，LHS遵循一般的化学反应，可信度为93.25%。

3）当研究人员通过测量细胞黏附和增殖来评估LHS合成的各种磷灰石粉末的功能时，发现与商业HAP相比，LHS合成的HAP、MgAp和SRAP释放的离子显著促进了细胞的黏附和增殖。这些良好的性能是由离子释放效应造成的，这也解释了粉末的结晶度低和溶解度相对较高的原因。

4）这一合成工艺在生物陶瓷合成领域将产生重大影响。同时，LHS方法可以快速生成具有各种所需性能的粉末，由LHS合成的材料可用于生物材料、催化剂、3D打印和太阳能电池技术。