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Advanced Science最新封面文章賞析

來(lái)源：科學(xué)10分鐘時(shí)間：2021-09-07 13:37:09 瀏覽：2076次

Advanced Science是由美國(guó)著名出版商Wiley發(fā)布的半月刊，是一本開(kāi)放獲取期刊，最新影響因子達(dá)到了16.806。該期刊致力于跨學(xué)科的合作研究，收錄范圍涉及材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究。Advanced Science的封面文章必將滿足以下幾條中的一部分：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)新穎、實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)異、實(shí)驗(yàn)分析方法嚴(yán)謹(jǐn)?shù)忍攸c(diǎn)。下面，我們將聚焦這一頂級(jí)期刊最新出版幾期的封面文章，對(duì)文章內(nèi)容作簡(jiǎn)單的鑒賞。

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技術(shù)顧問(wèn)吳老師：19113533771（微同）

1、探索用于細(xì)菌生物膜抗性復(fù)合設(shè)備的3D打印衍生式設(shè)計(jì)

DOI：10.1002/advs.202100249

在醫(yī)療領(lǐng)域，隨著對(duì)人體疾病認(rèn)識(shí)的加深，針對(duì)個(gè)體需求提供的個(gè)性化治療的案例也在增加。工欲善其事必先利其器，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展離不開(kāi)醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，基于醫(yī)療環(huán)境對(duì)抗菌能力的嚴(yán)格要求，選擇適合的建造材料被視作開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療設(shè)備的基礎(chǔ)。篩選材料庫(kù)可以為鑒定聚合物是否具有特殊的細(xì)胞引導(dǎo)——如控制免疫反應(yīng)、抵抗細(xì)菌生物膜形成、促進(jìn)干細(xì)胞附著和防止真菌定植等特性提供指導(dǎo)。利用篩選出的材料可以進(jìn)行醫(yī)療器械生產(chǎn)，作為研究者，我們的目的是能夠獲得同時(shí)滿足細(xì)胞誘導(dǎo)需求和達(dá)到機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)的多功能醫(yī)療器材。3D打印技術(shù)可以使用多種功能材料，結(jié)合個(gè)性化制造方法和算法設(shè)計(jì)等手段，可以輕松獲得滿足特定個(gè)體需求的醫(yī)療器械，是實(shí)現(xiàn)未來(lái)個(gè)體化醫(yī)療的強(qiáng)力輔助。

在本文中，諾丁漢大學(xué)的Yinfeng He等人使用選擇性單獨(dú)沉積的兩種配方，分別建造了具有特殊形變和還原性生物膜特質(zhì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。從生物學(xué)響應(yīng)看，在不添加生物活性劑的情況下，與常用的硅橡膠相比，所得復(fù)合材料的細(xì)菌生物膜覆蓋率降低了75%。同時(shí)，本文所使用的復(fù)合材料的機(jī)械性能可以根據(jù)用戶要求，結(jié)合有限元建模和遺傳算法，通過(guò)衍生式過(guò)程設(shè)計(jì)進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整。文中所制造的設(shè)備通過(guò)了機(jī)械規(guī)范和細(xì)菌細(xì)胞指導(dǎo)細(xì)則評(píng)估，證明采用文章所用方法可以成功實(shí)現(xiàn)多功能、個(gè)性化的醫(yī)學(xué)衍生式設(shè)計(jì)，對(duì)未來(lái)的醫(yī)學(xué)醫(yī)療技術(shù)發(fā)展具有重要的啟發(fā)和開(kāi)拓意義。

圖1 根據(jù)本研究建立的模型方法獲得的懸臂機(jī)械性能

2、將銀籽嵌入圖形凹槽中實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池的無(wú)枝晶化

DOI：10.1002/advs.202100684

實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池的無(wú)枝晶化運(yùn)作是發(fā)展可充電鋰金屬電池所需要應(yīng)對(duì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，近十幾年內(nèi)科學(xué)家們針對(duì)此議題開(kāi)展了大量的探索工作?？v觀現(xiàn)有的研究成果，抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)主要從兩個(gè)方面入手：誘導(dǎo)鋰金屬進(jìn)行均勻成核和促進(jìn)鋰離子的均質(zhì)分散。因此，向鋰金屬電池中引入能夠有效增加活性表面的3D集流體可以有效減弱局部電流密度，抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，是一種有效的策略。但是，許多3D載體擁有疏松而多孔的結(jié)構(gòu)，會(huì)大量吸收電解液，占據(jù)過(guò)多的體積，這將嚴(yán)重限制電池的質(zhì)量和體積能量密度。為了解決這些問(wèn)題，人們提出了一種新的策略：在鋰箔上直接構(gòu)造圖案凹槽，以期獲得更大的比表面積，調(diào)節(jié)鋰金屬的沉積行為。為了應(yīng)對(duì)更加苛刻的實(shí)際工作條件，這一改良手段依然需要進(jìn)一步優(yōu)化。

在此，華中科技大學(xué)的Hua Wang等人通過(guò)簡(jiǎn)單的壓搟工藝將銀納米線包埋在鋰箔表面的圖案凹槽中，這些交錯(cuò)的凹槽能夠有效增加鋰金屬的表面積。同時(shí)，凹槽中的銀納米線作為電化學(xué)活性位點(diǎn)，為鋰金屬的均質(zhì)成核和生長(zhǎng)提供了輔助作用。在電化學(xué)測(cè)試中，觀察到鋰的成核沉積偏向于發(fā)生在凹槽內(nèi)，而非地勢(shì)相對(duì)較高的鋰金屬表面。具有一定深度和寬度的凹槽能夠適應(yīng)循環(huán)過(guò)程中鋰的巨大體積變化，從而有利于電池庫(kù)倫效率的穩(wěn)定。在2 mA cm^-2/ 4 mAh cm^-2下循環(huán)360 h，其成核過(guò)電位低至16 mV，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)性能。分別與LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂和LiFePO₄正極配對(duì)裝配全電池，能夠分別實(shí)現(xiàn)94.2%(2000圈)和74.2%(4000圈)的容量保持率?？偟膩?lái)看，作者采用了一種簡(jiǎn)單的輥壓嵌入法對(duì)含有凹槽紋樣的鋰金屬進(jìn)行表面修飾，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電場(chǎng)的規(guī)制，抑制了鋰的枝晶化生長(zhǎng)，并表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。這一工作不僅為鋰金屬負(fù)極的電化學(xué)改良提供了有效的策略，更能夠?yàn)檎{(diào)節(jié)用于其他的儲(chǔ)能系統(tǒng)的金屬負(fù)極提供參考案例。

圖2 嵌埋銀納米線鋰網(wǎng)格的制備方法與形貌

3、仿生運(yùn)動(dòng)機(jī)制：自調(diào)整4D打印可穿戴系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì)和材料編程

DOI：10.1002/advs.202100411

4D打印是在3D打印基礎(chǔ)上發(fā)展的一種材料合成技術(shù)，用于制造可編程生產(chǎn)的物質(zhì)，可以隨著時(shí)間推遲進(jìn)行自我重塑或改變其運(yùn)行方式。時(shí)至今日，4D打印技術(shù)作為一種自動(dòng)化材料合成方法，已經(jīng)成為了一種在結(jié)構(gòu)化材料中引入各向異性的關(guān)鍵技術(shù)。但是這種技術(shù)對(duì)于材料和設(shè)備都具有高度特殊化的要求，為了實(shí)現(xiàn)差異化材料組織的構(gòu)造，對(duì)材料編程的設(shè)計(jì)導(dǎo)向性也有極高的要求。本文作者Tiffany Cheng（斯圖加特大學(xué)）提出了一種用于設(shè)計(jì)生物角色模型的材料編程方法，在4D打印自成型材料系統(tǒng)中的運(yùn)行效果斐然。

作者提出的這種編程方法受到了自然界中植物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，將纏繞型植物的莖產(chǎn)生力的原理應(yīng)用到打印技術(shù)中。這項(xiàng)工作介紹了具有復(fù)合仿生行為的4D打印設(shè)計(jì)方法。在3D打印的中尺度材料系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了模擬運(yùn)動(dòng)植物結(jié)構(gòu)的各向異性排列，通過(guò)莖稈的螺旋張緊，在支撐物上產(chǎn)生擠壓力，以抵抗重力，穩(wěn)定材料的進(jìn)一步“生長(zhǎng)”。使用該方法合成的材料用在手腕前臂夾板中，能夠增強(qiáng)其自緊功能。這一新穎的材料合成方法創(chuàng)造性地將仿生設(shè)計(jì)策略與4D運(yùn)動(dòng)打印機(jī)制相結(jié)合，為未來(lái)的可穿戴醫(yī)學(xué)器械和用于其他領(lǐng)域的新型輔助設(shè)備打開(kāi)了設(shè)計(jì)空間，拓寬了3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖3 類(lèi)紅薯莖卷繞的材料結(jié)構(gòu)及效果模擬圖

4、氰石墨烯共價(jià)結(jié)合銀，克服細(xì)菌對(duì)銀納米顆粒和抗生素的抗藥性！

DOI：10.1002/advs.202003090

細(xì)菌對(duì)抗生素的抗藥性一直是使現(xiàn)代醫(yī)學(xué)家頭疼的關(guān)鍵問(wèn)題，不僅如此，在最近的研究中，甚至觀察到了細(xì)菌因?yàn)楫a(chǎn)生鞭毛蛋白而對(duì)銀納米粒子引起抗性。在這篇文章中，帕拉基大學(xué)的David Panacek等研究人員針對(duì)細(xì)菌對(duì)抗生素和銀納米粒子產(chǎn)生的抗藥性進(jìn)行了具體的實(shí)驗(yàn)和探究。研究表明，極低濃度的氰基石墨烯共價(jià)結(jié)合銀(GCN/Ag)就能殺死銀納米顆粒抗性細(xì)菌，而使用純銀納米顆粒達(dá)到同樣的效果則需要用到30倍的份量。GCN/Ag在細(xì)菌超過(guò)60代的連續(xù)傳代后依舊沒(méi)有抗藥性，而膠體Ag納米顆粒在細(xì)菌的20代傳代后就觀察到了抗藥性。對(duì)于多重耐藥菌株的殺菌測(cè)試中，GCN/Ag的抗菌性也遠(yuǎn)勝于銀納米顆粒，如此迥異的差距明顯表明了GCN/Ag殺滅抗性細(xì)菌的有效性。

GCN/Ag中的腈基與銀之間存在較強(qiáng)的多重配位鍵，即使放置了六個(gè)月，其銀離子也僅有很少的浸出。與其他報(bào)道中的復(fù)合殺菌體、游離Ag納米顆粒和銀離子等相比，GCN/Ag與人體細(xì)胞的相容性相當(dāng)高，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果，GCN/Ag與細(xì)菌膜有很強(qiáng)的相互作用，其抗菌活性不依賴(lài)于銀納米顆?；螂x子的釋放。綜合理論計(jì)算和以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，GCN/Ag對(duì)細(xì)菌抗藥性的有效突破表明氰基石墨烯這樣的剛性載體能夠有效地與活性銀選擇性結(jié)合配體，這種設(shè)計(jì)繞過(guò)了已知的微生物耐藥機(jī)制，為開(kāi)發(fā)廣譜抗菌劑開(kāi)辟了嶄新的道路。

圖4 抗菌劑對(duì)細(xì)菌的抗藥性與細(xì)胞相容性

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