中科院蘭州化物所王趙鋒團隊在材料領域top-level期刊AFM上發表最新研究成果

 近日，中科院蘭州化物所王趙鋒團隊在材料top-level期刊《Advanced Functional Materials》（簡稱“AFM”，中科院一區TOP，截止2024年3月26日：影響因子18.186）上發表最新研究成果“一種基于機械發光應力傳感水凝膠用于智能人工韌帶”（A Mechanoluminescence-Based Stress Sensing Hydrogelfor Intelligent Artificial Ligament）。

（來源：Advanced Functionao Materials）

      中科院蘭州化物所王趙鋒團隊：具有生物相容性的堅韌水凝膠被認為是改善人類生活質量的有前途的仿生軟材料。為了確保其穩定、可靠和安全的服務，水凝膠還需要具備非接觸式和無線應力感應能力。在此，我們開發了一種基于機械發光（ML）的膠束水凝膠，在其中表面修飾過的BaSi2O2N2：Eu2+（M-BSON）顆粒被化學地結合到交聯的聚丙烯酰胺/甲基丙烯酸酯（PAM/PMA）網絡結構中。由于M-BSON顆粒與PMA膠束之間的相互作用，所制備的復合水凝膠表現出增強的機械性能，機械強度為2.73兆帕，韌性為3.40兆焦每立方米。疏水性PMA膠束對M-BSON顆粒的化學包覆進一步保護了ML特性免受水淬滅的影響，導致在水凝膠水環境下的顯著應力誘導發光。由于其理想的機械性能、吸引人的應力-光響應性和良好的生物相容性，含有M-BSON的水凝膠有可能被應用于智能人工韌帶以實現應力自我監測和故障預警。這項工作解決了ML顆粒在水凝膠結構中的不均勻分散和水淬滅問題，這顯著促進了ML在仿生工程中的應用。

圖1. a) BSON表面改性的示意圖。b) -MPS水解及其與BSON磷光體的縮合反應模型。c) BSON、-MPS和M-BSON的FTIR光譜。d) BSON和M-BSON的XPS Si 2p曲線。e) BSON和M-BSON顆粒的WCA。來源：Advanced Functionao Materials

圖2. a) 含有M-BSON的微膠束水凝膠樣品的合成路線和b) 聚合過程。c) 水凝膠聚合物鏈的結構。d) 空白水凝膠和含有顆粒的水凝膠的FTIR光譜。e) 用冷凍超薄切片機切開的含M-BSON水凝膠的橫截面SEM圖像。f) 空白、10% BSON和10% M-BSON摻入水凝膠的DSC曲線。來源：Advanced Functionao Materials

圖3. a) 利用M-BSON摻雜水凝膠的照片和映射，提供缺陷的時間和空間演變。b) 水凝膠組裝人工韌帶在白天和黑夜的數碼照片和機器學習映射。c) 膝關節彎曲過程中的機器學習光譜。d) 無線監測人體跑步的示意圖。e) 通過定制開發的智能手機應用程序進行遠程監控和安全警告。來源：Advanced Functionao Materials

  中國科院蘭州化物所王趙鋒團隊：總之，我們成功地通過使用M-BSON顆粒作為ML成分和交聯的PAM/PMA作為網絡結構，構建了ML復合水凝膠。PMA膠束的化學包裹的獨特結構設計不僅使M-BSON顆粒均勻分布在水凝膠結構中，提高了彈性模量、斷裂應力和韌性，還保護了ML免受水淬滅的影響。這種ML復合水凝膠堅固且生物相容，具有應力自感應能力，有望應用于健康監測的人工韌帶。這項工作實現了ML與水凝膠的集成，為生物工程和仿生工程領域中的生物應力傳感/監測提供了新的方法。

     實驗材料：1,6-己二醇二丙烯酸酯（HD）、1-羥基環己基苯基酮（Irgacure 184）、MA、AM、Tween 80和γ-MPS均購自阿拉丁試劑。BSON由蘭州博輝化玻儀器有限公司提供。乙醇（99 wt.%）和乙酸來自中國醫藥集團化學試劑公司。所有試劑均直接使用，未進一步純化。

      中科院蘭州化物所王趙鋒團隊在材料領域top-level期刊AFM上發表文獻后，來自中國科學技術大學、北京師范大學、四川大學、湖北大學、蘭州大學、青海師范大學等相關課題組的老師前來咨詢。蘭州博輝化玻儀器有限公司宋國強經理第一時間聯系課題組表示祝賀！課題組文獻作者嚴春梅博士說:"文獻產生了這么大的影響力，也是對我們工作和BSON的肯定，我們課題組打算繼續采購一些BSON。"

王趙鋒，男，博士，中國科學院蘭州化學物理研究所研究員，博士生導師，2006年畢業于蘭州大學材料化學profession，獲理學學士學位，2011年畢業于蘭州大學材料物理與化學profession，獲工學博士學位。2011年至今，先后于中科院蘭州化學物理研究所固體潤滑National priority實驗室、美國德克薩斯州立大學化學與生物化學系、美國康涅狄格大學材料科學研究所進行科學研究。主要研究方向為摩擦/力致發光材料及應用，目前在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Mater. Horiz., Adv. Sci.等期刊發表論文100余篇（被引用5000余次，h因子40），編寫書籍章節兩部，申請/授權nation發明專利10余項，研究成果被國內外well-known媒體如中國科學報、中國科普博覽、人民日報、中科院之聲、New Scientist、Nanowerk、Science Trends等專題報道。現為國內well-known期刊《稀土學報（英文版）》、《材料導報》青年編委，《發光學報》首屆青年梯隊編委，以及中國機械工程學會表面工程分會青年學組特邀專家。2015年獲美國環境保護署P3提名獎，2017年獲甘肅省自然科學二等獎，2018年獲中科院百人計劃擇優支持，2020年獲甘肅省outstanding青年基金支持，所帶領的研究團隊獲2021年度甘肅省“青年安全生產示范崗”榮譽稱號，2022年獲中科院區域發展青年學者稱號。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Functionao Materials）

參考資料：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202420142

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