中科院兰州化物所王赵锋团队在材料领域top-level期刊AFM上发表最新研究成果

中科院兰州化物所王赵锋团队在材料领域top-level期刊AFM上发表最新研究成果

 近日，中科院兰州化物所王赵锋团队在材料top-level期刊《Advanced Functional Materials》（简称“AFM”，中科院一区TOP，截止2024年3月26日：影响因子18.186）上发表最新研究成果“一种基于机械发光应力传感水凝胶用于智能人工韧带”（A Mechanoluminescence-Based Stress Sensing Hydrogelfor Intelligent Artificial Ligament）。

（来源：Advanced Functionao Materials）

      中科院兰州化物所王赵锋团队：具有生物相容性的坚韧水凝胶被认为是改善人类生活质量的有前途的仿生软材料。为了确保其稳定、可靠和安全的服务，水凝胶还需要具备非接触式和无线应力感应能力。在此，我们开发了一种基于机械发光（ML）的胶束水凝胶，在其中表面修饰过的BaSi2O2N2：Eu2+（M-BSON）颗粒被化学地结合到交联的聚丙烯酰胺/甲基丙烯酸酯（PAM/PMA）网络结构中。由于M-BSON颗粒与PMA胶束之间的相互作用，所制备的复合水凝胶表现出增强的机械性能，机械强度为2.73兆帕，韧性为3.40兆焦每立方米。疏水性PMA胶束对M-BSON颗粒的化学包覆进一步保护了ML特性免受水淬灭的影响，导致在水凝胶水环境下的显著应力诱导发光。由于其理想的机械性能、吸引人的应力-光响应性和良好的生物相容性，含有M-BSON的水凝胶有可能被应用于智能人工韧带以实现应力自我监测和故障预警。这项工作解决了ML颗粒在水凝胶结构中的不均匀分散和水淬灭问题，这显著促进了ML在仿生工程中的应用。

图1. a) BSON表面改性的示意图。b) -MPS水解及其与BSON磷光体的缩合反应模型。c) BSON、-MPS和M-BSON的FTIR光谱。d) BSON和M-BSON的XPS Si 2p曲线。e) BSON和M-BSON颗粒的WCA。来源：Advanced Functionao Materials

图2. a) 含有M-BSON的微胶束水凝胶样品的合成路线和b) 聚合过程。c) 水凝胶聚合物链的结构。d) 空白水凝胶和含有颗粒的水凝胶的FTIR光谱。e) 用冷冻超薄切片机切开的含M-BSON水凝胶的横截面SEM图像。f) 空白、10% BSON和10% M-BSON掺入水凝胶的DSC曲线。来源：Advanced Functionao Materials

图3. a) 利用M-BSON掺杂水凝胶的照片和映射，提供缺陷的时间和空间演变。b) 水凝胶组装人工韧带在白天和黑夜的数码照片和机器学习映射。c) 膝关节弯曲过程中的机器学习光谱。d) 无线监测人体跑步的示意图。e) 通过定制开发的智能手机应用程序进行远程监控和安全警告。来源：Advanced Functionao Materials

  中国科院兰州化物所王赵锋团队：总之，我们成功地通过使用M-BSON颗粒作为ML成分和交联的PAM/PMA作为网络结构，构建了ML复合水凝胶。PMA胶束的化学包裹的独特结构设计不仅使M-BSON颗粒均匀分布在水凝胶结构中，提高了弹性模量、断裂应力和韧性，还保护了ML免受水淬灭的影响。这种ML复合水凝胶坚固且生物相容，具有应力自感应能力，有望应用于健康监测的人工韧带。这项工作实现了ML与水凝胶的集成，为生物工程和仿生工程领域中的生物应力传感/监测提供了新的方法。

     实验材料：1,6-己二醇二丙烯酸酯（HD）、1-羟基环己基苯基酮（Irgacure 184）、MA、AM、Tween 80和γ-MPS均购自阿拉丁试剂。BSON由兰州博辉化玻仪器有限公司提供。乙醇（99 wt.%）和乙酸来自中国医药集团化学试剂公司。所有试剂均直接使用，未进一步纯化。

      中科院兰州化物所王赵锋团队在材料领域top-level期刊AFM上发表文献后，来自中国科学技术大学、北京师范大学、四川大学、湖北大学、兰州大学、青海师范大学等相关课题组的老师前来咨询。兰州博辉化玻仪器有限公司宋国强经理第一时间联系课题组表示祝贺！课题组文献作者严春梅博士说:"文献产生了这么大的影响力，也是对我们工作和BSON的肯定，我们课题组打算继续采购一些BSON。"

王赵锋，男，博士，中国科学院兰州化学物理研究所研究员，博士生导师，2006年毕业于兰州大学材料化学profession，获理学学士学位，2011年毕业于兰州大学材料物理与化学profession，获工学博士学位。2011年至今，先后于中科院兰州化学物理研究所固体润滑National priority实验室、美国德克萨斯州立大学化学与生物化学系、美国康涅狄格大学材料科学研究所进行科学研究。主要研究方向为摩擦/力致发光材料及应用，目前在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Mater. Horiz., Adv. Sci.等期刊发表论文100余篇（被引用5000余次，h因子40），编写书籍章节两部，申请/授权nation发明专利10余项，研究成果被国内外well-known媒体如中国科学报、中国科普博览、人民日报、中科院之声、New Scientist、Nanowerk、Science Trends等专题报道。现为国内well-known期刊《稀土学报（英文版）》、《材料导报》青年编委，《发光学报》首届青年梯队编委，以及中国机械工程学会表面工程分会青年学组特邀专家。2015年获美国环境保护署P3提名奖，2017年获甘肃省自然科学二等奖，2018年获中科院百人计划择优支持，2020年获甘肃省outstanding青年基金支持，所带领的研究团队获2021年度甘肃省“青年安全生产示范岗”荣誉称号，2022年获中科院区域发展青年学者称号。

图 | 相关论文（来源：Advanced Functionao Materials）

参考资料：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202420142

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