中科院蘭州化物所王趙鋒團(tuán)隊(duì)在材料領(lǐng)域top-level期刊AFM上發(fā)表最新研究成果

 近日，中科院蘭州化物所王趙鋒團(tuán)隊(duì)在材料top-level期刊《Advanced Functional Materials》（簡稱“AFM”，中科院一區(qū)TOP，截止2024年3月26日：影響因子18.186）上發(fā)表最新研究成果“一種基于機(jī)械發(fā)光應(yīng)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(tuán)隊(duì)：具有生物相容性的堅(jiān)韌水凝膠被認(rèn)為是改善人類生活質(zhì)量的有前途的仿生軟材料。為了確保其穩(wěn)定、可靠和安全的服務(wù)，水凝膠還需要具備非接觸式和無線應(yīng)力感應(yīng)能力。在此，我們開發(fā)了一種基于機(jī)械發(fā)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(xué)地結(jié)合到交聯(lián)的聚丙烯酰胺/甲基丙烯酸酯（PAM/PMA）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。由于M-BSON顆粒與PMA膠束之間的相互作用，所制備的復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出增強(qiáng)的機(jī)械性能，機(jī)械強(qiáng)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(xué)包覆進(jìn)一步保護(hù)了ML特性免受水淬滅的影響，導(dǎo)致在水凝膠水環(huán)境下的顯著應(yīng)力誘導(dǎo)發(fā)光。由于其理想的機(jī)械性能、吸引人的應(yīng)力-光響應(yīng)性和良好的生物相容性，含有M-BSON的水凝膠有可能被應(yīng)用于智能人工韌帶以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力自我監(jiān)測和故障預(yù)警。這項(xiàng)工作解決了ML顆粒在水凝膠結(jié)構(gòu)中的不均勻分散和水淬滅問題，這顯著促進(jìn)了ML在仿生工程中的應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)。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(jī)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(shí)間和空間演變。b) 水凝膠組裝人工韌帶在白天和黑夜的數(shù)碼照片和機(jī)器學(xué)習(xí)映射。c) 膝關(guān)節(jié)彎曲過程中的機(jī)器學(xué)習(xí)光譜。d) 無線監(jiān)測人體跑步的示意圖。e) 通過定制開發(fā)的智能手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和安全警告。來源：Advanced Functionao Materials

  中國科院蘭州化物所王趙鋒團(tuán)隊(duì)：總之，我們成功地通過使用M-BSON顆粒作為ML成分和交聯(lián)的PAM/PMA作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了ML復(fù)合水凝膠。PMA膠束的化學(xué)包裹的獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅使M-BSON顆粒均勻分布在水凝膠結(jié)構(gòu)中，提高了彈性模量、斷裂應(yīng)力和韌性，還保護(hù)了ML免受水淬滅的影響。這種ML復(fù)合水凝膠堅(jiān)固且生物相容，具有應(yīng)力自感應(yīng)能力，有望應(yīng)用于健康監(jiān)測的人工韌帶。這項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了ML與水凝膠的集成，為生物工程和仿生工程領(lǐng)域中的生物應(yīng)力傳感/監(jiān)測提供了新的方法。

     實(shí)驗(yàn)材料：1,6-己二醇二丙烯酸酯（HD）、1-羥基環(huán)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(yī)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司。所有試劑均直接使用，未進(jìn)一步純化。

      中科院蘭州化物所王趙鋒團(tuán)隊(duì)在材料領(lǐng)域top-level期刊AFM上發(fā)表文獻(xiàn)后，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京師范大學(xué)、四川大學(xué)、湖北大學(xué)、蘭州大學(xué)、青海師范大學(xué)等相關(guān)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(qiáng)經(jīng)理第一時(shí)間聯(lián)系課題組表示祝賀！課題組文獻(xiàn)作者嚴(yán)春梅博士說:"文獻(xiàn)產(chǎn)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(xù)采購一些BSON。"

王趙鋒，男，博士，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，2006年畢業(yè)于蘭州大學(xué)材料化學(xué)profession，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2011年畢業(yè)于蘭州大學(xué)材料物理與化學(xué)profession，獲工學(xué)博士學(xué)位。2011年至今，先后于中科院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑National priority實(shí)驗(yàn)室、美國德克薩斯州立大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系、美國康涅狄格大學(xué)材料科學(xué)研究所進(jìn)行科學(xué)研究。主要研究方向?yàn)槟Σ?力致發(fā)光材料及應(yīng)用，目前在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Mater. Horiz., Adv. Sci.等期刊發(fā)表論文100余篇（被引用5000余次，h因子40），編寫書籍章節(jié)兩部，申請/授權(quán)nation發(fā)明專利10余項(xiàng)，研究成果被國內(nèi)外well-known媒體如中國科學(xué)報(bào)、中國科普博覽、人民日報(bào)、中科院之聲、New Scientist、Nanowerk、Science Trends等專題報(bào)道。現(xiàn)為國內(nèi)well-known期刊《稀土學(xué)報(bào)（英文版）》、《材料導(dǎo)報(bào)》青年編委，《發(fā)光學(xué)報(bào)》首屆青年梯隊(duì)編委，以及中國機(jī)械工程學(xué)會表面工程分會青年學(xué)組特邀專家。2015年獲美國環(huán)境保護(hù)署P3提名獎，2017年獲甘肅省自然科學(xué)二等獎，2018年獲中科院百人計(jì)劃擇優(yōu)支持，2020年獲甘肅省outstanding青年基金支持，所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)獲2021年度甘肅省“青年安全生產(chǎn)示范崗”榮譽(yù)稱號，2022年獲中科院區(qū)域發(fā)展青年學(xué)者稱號。

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

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

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