哈佛大学开发的水凝胶粘合方法有望带来新型生物材料解决方案

哈佛大学开发的水凝胶粘合方法有望带来新型生物材料解决方案 这幅插图重点展示了两种水凝胶（蓝色显示）如何通过壳聚糖薄膜（橙色显示）以不同方式结合在一起。形成的粘结异常牢固，可以抵抗高张力。资料来源：Peter Allen、Ryan Allen 和 James C. Weaver。在临床实践中，水凝胶已被用于抗病原体的治疗性给药，眼科中的眼内镜、隐形眼镜和角膜假体，组织工程和再生中的骨水泥、伤口敷料、凝血绷带和三维支架。然而，水凝胶聚合物之间的快速强力粘附仍是一项尚未解决的需求，因为传统方法往往会在粘附时间超过预期后导致粘附力减弱，而且依赖于复杂的程序。实现聚合物的快速粘合可以带来许多新的应用，例如，可以对水凝胶的硬度进行微调，使其更好地贴合特定组织；按需封装用于医疗诊断的柔性电子器件；或为身体难以包扎的部位制作自粘性组织包裹。现在，哈佛大学维斯生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）和哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的科学家们利用壳聚糖薄膜创造出了一种简单而多用途的方法，可以立即有效地粘合由相同或不同类型的水凝胶和其他聚合物材料制成的层。他们成功地将新方法应用于几个尚未解决的医学问题，包括组织的局部保护性冷却、血管损伤的密封，以及防止本不应相互粘连的身体内部表面发生不必要的"手术粘连"。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。"壳聚糖薄膜具有在体内和体外有效组装、微调和保护水凝胶的能力，为创造再生医学和外科护理设备提供了许多新机会，"该研究的资深作者、Wyss 研究所创始核心成员 David Mooney 博士说，"壳聚糖薄膜的应用速度快、简便、有效，使其成为用途广泛的工具和组件，可在手术过程中通常很短的时间内完成体内组装过程，并可在制造设施中简单地制造复杂的生物材料结构。"穆尼还是 SEAS 的罗伯特-平卡斯家族生物工程学教授。工程学的新纽带过去几年来，穆尼在威斯研究所和SEAS的团队开发出了"强韧粘合剂"，这是一系列再生医学方法，使用可拉伸水凝胶，通过强力粘附在湿组织表面并符合组织的机械特性，促进伤口愈合和组织再生。"精确配制的韧性粘合剂和非粘性水凝胶为我们和其他研究人员提供了改善病人护理的新机会。但是，为了将它们的功能更进一步甚至更多步，我们希望能够将两种或更多水凝胶组合成更复杂的组合体，并以简单的过程快速、安全地实现这一目标，"共同第一作者、前 Wyss 研究助理 Benjamin Freedman 博士说，他与穆尼一起带头开发了几种强韧粘合剂。现有的即时粘合水凝胶或弹性体的方法有明显的缺点，因为它们依赖于有毒胶水、表面化学功能化或其他复杂的程序。通过生物材料筛选方法，研究小组确定了完全由壳聚糖制成的桥接薄膜。壳聚糖是一种含糖聚合物，可以很容易地从贝类的甲壳素外壳中提取出来，目前已被广泛应用于商业领域。例如，它目前被用于处理种子和农业生物杀虫剂、防止酿酒过程中的腐败、自愈合涂料以及医疗伤口管理。研究小组发现，壳聚糖薄膜通过与传统水凝胶粘合方法不同的化学和物理相互作用，实现了水凝胶快速而牢固的粘合。壳聚糖的糖链不是通过单个原子之间的电子共享（共价键）来产生新的化学键，而是通过静电作用和氢键（非共价键）迅速吸收水凝胶层之间的水分，并与水凝胶的聚合物支架缠结在一起，形成多个键。这使得水凝胶之间的粘合力大大超过传统的水凝胶粘合方法。首次应用为了证明他们的新方法具有广泛的潜力，研究人员把重点放在了非常不同的医疗挑战上。他们的研究表明，用壳聚糖薄膜改性的韧性粘合剂现在可以很容易地缠绕在受伤手指等圆柱形物体上，作为自粘绷带提供更好的伤口护理。由于壳聚糖键合水凝胶的含水量高，因此应用这种水凝胶还可以局部冷却下层人体皮肤，这在未来可能会成为烧伤治疗的替代疗法。研究人员还将表面经过壳聚糖薄膜修饰的水凝胶（坚韧的凝胶）无缝地包裹在肠道、肌腱和周围神经组织上，而不与组织本身粘合。"这种方法为在手术过程中有效隔离组织提供了可能，否则会形成'纤维粘连'，有时会造成破坏性后果。"Freedman 解释说："预防纤维粘连是一项尚未满足的临床需求，而商业技术还无法充分满足这一需求。"在另一项应用中，他们在一种坚韧的凝胶上铺设了一层薄薄的壳聚糖薄膜，这种凝胶已经作为伤口密封剂置于受伤的猪主动脉上，以增加绷带的整体强度，因为绷带暴露在血管中血液搏动的周期性机械力之下。"戴夫-穆尼研究小组的这项研究为生物医学水凝胶设备的工程设计增添了一个新的维度，它可以为再生医学和外科医学中尚未解决的紧迫问题提供优雅的解决方案，让许多病人从中受益，"Wyss 创始董事、医学博士唐纳德-英格伯（Donald Ingber）说，他同时也是哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学朱达-福克曼（Judah Folkman）教授和 SEAS 生物启发工程汉斯约格-威斯（Hansjörg Wyss）教授。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

哥伦比亚大学工程师开发出光控分子设备

哥伦比亚大学工程师开发出光控分子设备 利用光来控制电子特性，哥伦比亚工程公司的新型单分子器件具有直接的金属-金属接触，标志着分子电子学的重大进展，有望提高电子元件的微型化和效率。资料来源：文卡特拉曼实验室挑战随着设备不断缩小，其电子元件也必须微型化。使用有机分子作为导电通道的单分子器件有可能解决传统半导体所面临的微型化和功能化难题。这种器件提供了利用光进行外部控制的令人兴奋的可能性，但到目前为止，研究人员还无法证明这一点。分子电子学先驱、劳伦斯-古斯曼应用物理学教授兼哥伦比亚大学工程学院化学教授拉塔-文卡塔拉曼（Latha Venkataraman）说："通过这项工作，我们开启了分子电子学的一个新维度，即可以用光来控制分子如何在两个金属电极之间的间隙中结合。"这就像是在纳米尺度上打开了一个开关，为设计更智能、更高效的电子元件开辟了各种可能性。"方法近二十年来，Venkataraman 的研究小组一直在研究单分子器件的基本特性，探索纳米尺度上物理、化学和工程学的相互作用。她的研究重点是构建具有各种功能的单分子电路，即一个分子连接两个电极，电路结构以原子精度定义。她的研究小组以及利用碳基二维材料石墨烯制造功能器件的研究小组都知道，在金属电极和碳系统之间建立良好的电接触是一项重大挑战。解决方案之一是使用有机金属分子，并设计出将电导线与分子内的金属原子连接起来的方法。为了实现这一目标，他们决定探索使用有机金属含铁二茂铁分子，这种分子也被认为是纳米技术世界中的微小积木。就像乐高积木可以堆砌出复杂的结构一样，二茂铁分子也可以用作构建超小型电子设备的积木。研究小组使用了一种以二茂铁基团为端基的分子，该分子由两个碳基环戊二烯环组成，环戊二烯环夹着一个铁原子。然后，他们利用二茂铁分子的电化学特性，在分子处于氧化状态（即铁原子失去一个电子）时，在二茂铁铁中心和金（Au）电极之间形成直接键合。在这种状态下，他们发现二茂铁可以与用于连接分子和外部电路的金电极结合。从技术上讲，氧化二茂铁可以使 Au0 与 Fe3+ 中心结合。该研究的第一作者 Woojung Lee 是 Venkararaman 实验室的一名博士生，他说："通过利用光诱导氧化，我们找到了一种在室温下操纵这些微小构件的方法，为未来在分子水平上利用光控制电子设备的行为打开了大门。"潜在影响Venkataraman 的新方法将使她的团队能够扩展用于创建单分子器件的分子终端（接触）化学类型。这项研究还表明，利用光来改变二茂铁的氧化态，就能打开或关闭这种接触，从而展示了一种基于二茂铁的光开关单分子器件。这种光控器件可为开发响应特定光波长的传感器和开关铺平道路，从而为各种技术提供用途更广、效率更高的元件。团队这项工作是一项涉及合成、测量和计算的合作成果。合成工作主要由 Michael Inkpen 在哥伦比亚大学完成，他曾是 Venkataraman 小组的博士后，现在是南加州大学的助理教授。所有的测量工作都是由 Venkataraman 小组的研究生 Woojung Lee 完成的。计算由文卡塔拉曼小组的研究生和德国雷根斯堡大学的合作者共同完成。下一步行动研究人员目前正在探索光控单分子器件的实际应用。这可能包括优化器件性能、研究它们在不同环境条件下的行为，以及完善金属-金属界面所带来的其他功能。 ... PC版： 手机版：

受贝壳启发 一种水泥复合材料的柔韧性提高了19倍

受贝壳启发 一种水泥复合材料的柔韧性提高了19倍 大自然以利用有限、适度的材料开发轻质而坚韧的材料而闻名，这些材料被排列成巧妙的结构。以珍珠质为例。一些软体动物贝壳闪闪发光的内层通常被称为珍珠母，它是一种有机-无机复合材料，由硬质矿物文石的六角形薄片组成的三维砖墙图案，由柔软的超弹性生物聚合物粘合而成。虽然文石片非常脆，但生物聚合物的柔韧性使其能够在拉应力作用下滑动，从而使珍珠质成为一种坚韧的材料，能够在断裂前发生显著变形。现在，普林斯顿大学土木与环境工程系的研究人员通过模仿天然珍珠质的结构，创造出了一种新型的优质水泥复合材料。天然珍珠层由文石薄片组成，由一种超弹性生物聚合物粘合在一起这项研究的第一作者、普林斯顿大学工程系研究生沙山克-古普塔（Shashank Gupta）说："软硬成分之间的协同作用是珍珠质具有非凡机械特性的关键。如果我们能设计出抵抗裂纹扩展的混凝土，我们就能让它变得更坚硬、更安全、更耐用。"为了制作珍珠状复合材料，研究人员用水泥浆片制作了六角形片材，并将其分层，中间用聚乙烯硅氧烷（PVS）隔开，聚乙烯硅氧烷是一种超弹性生物聚合物。然后用这种材料制成的横梁对复合材料的机械响应进行了测试，并与用固体（整体）浇注水泥浆制成的横梁进行了比较。研究人员对梁进行了缺口三点弯曲（3PB）试验，即在梁的中部向下施压，在两端向上施压，以评估抗裂性或断裂韧性。试验结果表明，水泥浆浇注的"硬"梁很脆；由于没有柔韧性（延展性），它们在达到失效点时突然完全断裂。相比之下，珍珠质复合梁的延展性是对照梁的 19 倍，断裂韧性是对照梁的 17.1 倍，而强度几乎相同。研究人员制作的珍珠质水泥复合材料示意图普林斯顿大学建筑材料与增材制造（AM2）实验室负责人、该研究的通讯作者雷扎-莫伊尼（Reza Moini）说："我们的生物启发方法不是简单地模仿自然界的微观结构，而是学习其基本原理，并利用这些原理来指导人造材料的工程设计。使珍珠质外壳坚硬的关键机制之一是纳米级的片状滑动。在这里，我们重点研究了片剂滑动的机制，通过工程设计使水泥浆的内置表层结构与聚合物的特性以及它们之间的界面保持平衡。换句话说，我们有意在脆性材料中设计缺陷，以此在设计上使其变得更坚固"。当然，这些结果都是在实验室中得出的。研究人员计划在实际环境中测试生物启发水泥复合材料，并研究其机械性能是否可用于提高混凝土和瓷器等其他材料的抗裂性。这项研究发表在《先进功能材料》杂志上。 ... PC版： 手机版：

康奈尔大学工程师开发出可在五分钟内完成充电的新型锂电池

康奈尔大学工程师开发出可在五分钟内完成充电的新型锂电池 负责监督该项目的康奈尔大学工程学院院长、工程学教授林登-阿彻（Lynden Archer）说："与其他障碍（如电池的成本和性能）相比，续航里程焦虑症是交通电气化的更大障碍。如果能在五分钟内为电动汽车电池充电，那就不再需要300英里续航里程的电池了，大可以选择更小的电池，这可以降低电动汽车的成本，使其得到更广泛的采用"。该团队的论文最近发表在《焦耳》杂志上。论文的第一作者是化学与生物分子工程专业的博士生金硕。锂离子电池是电动汽车和智能手机最常用的动力装置之一。这种电池重量轻、性能可靠，而且相对节能。然而，它们充电需要数小时，而且缺乏处理大电流浪涌的能力。研究人员发现，铟是一种特别有前途的快速充电电池材料。铟是一种软金属，主要用于制造触摸屏显示器和太阳能电池板的氧化铟锡涂层。新研究表明，铟作为电池阳极有两个关键特性：迁移能垒极低，这决定了离子在固态中的扩散速度、交换电流密度适中，这与离子在阳极中的还原速度有关。快速扩散和缓慢的表面反应动力学这两种特性的结合对于快速充电和长时间储存至关重要。"关键的创新之处在于我们发现了一种设计原理，可以让电池阳极上的金属离子自由移动，找到合适的配置，然后才参与电荷存储反应，"阿彻说。"最终结果是，在每个充电周期中，电极都处于稳定的形态状态。这正是我们的新型快速充电电池能够在数千次循环中反复充放电的原因所在。"这项技术与道路上的无线感应充电技术相结合，将缩小电池的体积和成本，使电动交通工具成为驾驶者更可行的选择。然而，这并不意味着铟阳极是完美的，甚至是实用的。阿彻说："虽然这一成果令人兴奋，因为它告诉我们如何获得快速充电电池，但铟是很重的。这就为计算化学建模提供了一个机会，也许可以利用生成式人工智能工具，了解还有哪些轻质材料的化学成分可以达到同样低的达姆克勒数。例如，是否有我们从未研究过的金属合金具有所需的特性？这就是我感到满意的地方，因为有一个普遍原理在起作用，让任何人都能设计出更好的电池阳极，实现比最先进技术更快的充电速率。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

斯坦福大学工程师用3D打印技术制造出数以万计特殊形状的纳米粒子

斯坦福大学工程师用3D打印技术制造出数以万计特殊形状的纳米粒子 截断四面体形成多个六边形晶粒的光学图像（上图）。键序分析通过不同的颜色显示出不同的六边形晶粒（下图）。颜色相同的相邻四面体表示它们具有相同的晶粒取向。比例尺为 20 微米。资料来源：David Doan 和 John Kulikowski斯坦福大学机械工程助理教授温迪-顾（Wendy Gu）在介绍她发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上的最新论文时说："由纳米球轴承构成的晶体与由纳米骰子构成的晶体的排列方式不同，这些排列方式将产生截然不同的物理性质。我们利用三维纳米打印技术制造出了已知最有前景的形状之一阿基米德截顶四面体。它们是尖端被削掉的微米级四面体"。在这篇论文中，Gu 和她的合著者描述了他们如何纳米打印出数以万计的这种具有挑战性的纳米粒子，将它们搅拌到溶液中，然后观察它们如何自我组装成各种有前景的晶体结构。更重要的是，只需将这些粒子重新排列成新的几何图案，这些材料就能在几分钟内实现不同状态之间的转换。这种改变"相位"的能力材料工程师将其称为"变形"特性类似于将铁变成回钢的原子重新排列，也类似于使计算机能够以数字形式存储 TB 级宝贵数据的材料。她说："如果我们能学会控制由这些阿基米德截断四面体制成的材料中的这些相移，就能引领许多有前景的工程方向。"长期以来，人们一直认为阿基米德截顶四面体（ATT）是最理想的几何形状之一，可用于生产易于改变相位的材料，但直到最近，这种材料的制造仍具有挑战性在计算机模拟中可以预测，但在现实世界中却很难再现。Gu 很快指出，她的团队并不是第一个大量生产纳米级阿基米德截顶四面体的团队，但他们是第一批（如果不是第一批的话）使用三维纳米打印技术实现这一目标的团队之一。"利用三维纳米打印技术，我们几乎可以制造出任何想要的形状。我们可以非常小心地控制粒子的形状，"Gu 解释说。"通过模拟预测，这种特殊形状可以形成非常有趣的结构。当你能以各种方式将它们组合在一起时，它们就会产生有价值的物理特性。"ATT 至少形成两种非常理想的几何结构。第一种是六边形图案，其中的四面体平放在基底上，截断的顶端朝上，就像一座纳米级山脉。Gu 说，第二种可能更有前景。它是一种准金刚石晶体结构，其中的四面体在朝上和朝下的方向上交替排列，就像鸡蛋放在鸡蛋盒里一样。这种金刚石排列方式被认为是光子学界的"圣杯"，可以引领许多新的有趣的科学方向。最重要的是，如果设计得当，未来由三维打印颗粒制成的材料可以快速重新排列，在应用磁场、电流、热量或其他工程方法的情况下，很容易在不同阶段之间来回切换。Gu 说，她可以想象，太阳能电池板的涂层可以全天变化，以最大限度地提高能效；飞机机翼和窗户可以使用新时代的疏水薄膜，这意味着它们永远不会起雾或结冰；还有新型计算机内存。这样的设想不胜枚举。"现在，我们正在努力使这些粒子具有磁性，以控制它们的行为方式，"Gu 谈到她已经在进行的最新研究时说，她正在以新的方式使用阿基米德截顶四面体纳米粒子。"各种可能性才刚刚开始探索。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新的充电算法可将锂离子电池的寿命延长一倍

新的充电算法可将锂离子电池的寿命延长一倍 柏林亥姆霍兹中心（HZB）和柏林洪堡大学的一个欧洲研究小组开发出一种替代充电方案，使锂离子电池的寿命比现在更长。研究结果表明，通过改变充电器向电解质材料输送电流的方式，电池在经过数百次放电-充电循环后仍能保持较高的能量容量。锂离子电池是一种结构紧凑、坚固耐用的能源容器，已成为人们的宠儿。电动汽车和电子设备都依赖于它们，但随着电解质穿过分隔阳极和阴极的薄膜，它们的容量会逐渐降低。目前最好的商业级锂离子电池使用的电极由一种名为 NMC532 的化合物和石墨制成，使用寿命长达 8 年。传统的充电方式是使用恒定电流（CC）的外部电能。研究分析了使用 CC 充电时电池样品的情况，发现阳极的固体电解质界面（SEI）"明显变厚"。此外，他们还在 NMC532 和石墨电极结构中发现了更多裂纹。较厚的 SEI 和电极上较多的裂缝意味着锂离子电池容量的显著损失。因此，研究人员开发了一种基于脉冲电流（PC）的充电协议。使用新的 PC 协议对电池充电后，研究小组发现 SEI 接口变薄了很多，电极材料发生的结构变化也更少。研究小组利用欧洲两个领先的粒子加速同步加速器设施"BESSY II"和"PETRA III"进行了脉冲电流充电实验。他们发现，PC 充电可促进石墨中锂离子的"均匀分布"，从而减少石墨颗粒中的机械应力和裂纹。该方案还能抑制 NMC532 阴极的结构退化。研究表明，方波电流的高频脉冲效果最好。测试表明，PC 充电可使商用锂离子电池的使用寿命延长一倍，容量保持率达到 80%。这项研究的共同作者、柏林工业大学教授 Julia Kowal 博士说："脉冲充电可以在电极材料和界面的稳定性方面带来许多优势，并大大延长电池的使用寿命。" ... PC版： 手机版：