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    聚集诱导发光开拓者:唐本忠院士!
    来源:测试GO 时间:2021-09-07 13:39:17 浏览:1774次


    引言

    唐本忠,中国科学院院士,香港科技大学张鉴泉理学院士、化学系与生物医学工程系讲座院士,华南理工大学-香港科技大学联合研究院院长。

    唐本忠院士1957年出生于湖北省潜江市;1982年于华南理工大学获学士学位,1985年、1988年先后获日本京都大学硕士、博士学位;曾在多伦多大学从事博士后研究工作。1994年7月加盟香港科技大学,2015年在华南理工大学组建人体组织功能重建国家工程技术研究中心支持下获批香港分中心,并任主任一职。2009年增选为中国科学院院士,2013年入选英国皇家化学会会士。现为科技部973计划项目首席科学家、国家自然科学基金基础科学中心项目负责人、广东省引进创新科研团队带头人、华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室学术委员会主任、中国化学会和英国皇家化学会联合期刊Materials Chemistry Frontiers主编,以及新刊Aggregate主编。

    唐本忠院士长期致力于有机光电功能材料在生物医用及光电诊疗方向的应用研究,其所提出的原创“聚集诱导发光(AIE”材料体系及其在光电功能材料和生物成像领域的应用,入选中科院文献情报中心和汤森路透联合发布的《2015年科学研究前沿》,并位于化学与材料学研究热点的第二位。2016年《Nature》一篇新闻深度分析文章将AIE点(纳米粒子)列为支撑和驱动未来纳米光革命的四大材料体系之一(是唯一由中国人提出并引领的材料体系),也是最有希望应用于高品质生物成像与动态监测的材料体系,并作为美国CNBC电视台“Year of Cancer”的主题实况专访向全球直播介绍AIE荧光探针在识别癌症细胞等领域的应用。2018年,唐本忠院士获得“2017年度国家自然科学一等奖”(第一完成人)。

    目前,由唐本忠院士开拓的AIE领域已经召开了两年一届的专题会议4次,在2015、2020年环太平洋国际化学会议上也设置了AIE分会,英国皇家化学会《Faraday Discussion》也来到中国集中讨论AIE相关成果。国内外的著名杂志已经出版了10期AIE专刊,目前已有5卷AIE的编著出版。AIE的研究也得到了媒体的青睐和宣传,《纽约时报》、美国全国广播公司财经频道(CNBC)、《南方都市报》和《南华早报》等都报道了唐本忠院士及其研发的AIE材料在有机发光二极管(OLED)、癌症成像和诊断方面、环境监测、医学和细菌检测等方面应用的成果(图1)。可以说,在唐本忠院士的带领下,AIE在不到二十年的时间中,完成了从 “概念”到“领域”的升华。

    图1 AIE的应用

    作为AIE概念的提出者和研究的引领者,唐本忠院士累计发表学术论文约1600篇,他引12万余次,h指数为159,并于2014~2019年连续入选化学和材料双领域高被引用科学家(图2)。同时,唐本忠院士先后获得多项荣誉及奖励,如国家自然科学一等奖(2017),何梁何利科学与技术进步奖(2017)、第27届夸瑞兹密国际科学奖(2014)、美国化学会高分子学术报告奖(2012)、国家自然科学二等奖(2007)、裘槎高级研究成就奖(2007)、中国化学会高分子基础研究王葆仁奖(2007)和爱思唯尔出版社冯新德聚合物奖(2007)等。同时,AIE作为由中国科学家开创和引导的新领域,也吸引了来自全球科学家的研究兴趣和前沿商业的关注,发表的论文数和引用数均呈指数增长,80余个国家和地区的4500余家研究单位的科学家的关注和跟进此工作。其中,AIE在高灵敏度荧光传感和高分辨率荧光成像以及动态示踪方面展现出来的潜质,将有力地推动生物医用材料和相关研究的飞速发展。目前,唐本忠已累计培养各类人才近400人,有200余人活跃在科研领域,其中包括国家杰青10人、青千及优青20余人,并拥有独立课题组100余个。

    图2 谷歌学术检索唐本忠院士个人资料

    为了带领大家一览大牛风采,笔者将挑选唐本忠院士团队最新的代表性科研成果,进行简单的汇总解读,希望能给相关领域科研工作者带来一丝启发。


    最新研究成果解读

    1、Nature Communications:通过AIE可视化层状纳米复合材料的增韧机理!

    聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于具有优异的生物相容性、稳定性、高透明度且易于成型,逐渐成为目前应用最广泛的软材料之一,在微流体、组织工程、柔性设备、可穿戴设备等领域显示出广阔的应用前景。然而,PDMS的杨氏模量很低,经常需要改性来提高其刚度和承重能力。杨氏模量的微调困难和低韧性严重阻碍了其在组织工程和柔性器件等领域的应用。

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    有鉴于此,香港科技大学唐本忠院士[1]通过冰模板技术开发了聚二甲基硅氧烷-蒙脱石层状(PDMS-MMT-L)纳米复合材料,与纯PDMS相比,其杨氏模量和韧性分别提高了23倍和12作者采用珠光体为材料,利用聚集诱导发光(AIE)分子辅助共聚焦成像技术获得的荧光图像重建了PDMS-MMT-L纳米复合材料的三维结构。AIE原位示踪显示了裂纹的扩展表面,分析认为,杨氏模量的大幅提高是由于连续刚性的MMT骨架在拉伸过程开始时产生了较高的应力,且层状结构引起的裂纹挠度和裂纹桥接均可提高韧度。

    此外,为了探讨PDMS-MMT-L纳米复合材料的增韧机理,作者还建立了一种基于原位共聚焦荧光显微镜的裂纹扩展观测技术,关注少量拉伸下的裂纹扩展过程。这项工作表明AIE辅助表征技术可以作为一种通用的方法来更好的评价有机-无机纳米复合材料的增韧机理。

    图3 PDMS-MMT-L材料的制备及结构表征

    2、Advanced Materials:具有抗菌防污功能的超高效太阳能蒸发器

    由于具有绿色环保和低成本的优势,太阳能驱动的界面蒸汽发电(SISG)被认为是目前解决水资源短缺的有效策略之一。在过去的几十年里,科学家们一直致力于设计理想的蒸发器,包括用于高效光热转换的太阳能吸收器以及用于隔热和输水的浮动结构,以期增加蒸发效率。然而,传统的2D蒸发器空间利用率低、热损失高,已逐渐无法满足当今社会对高效蒸发器的需求。且以往的研究通常将蒸发试验时模拟的太阳辐照设置为垂直于蒸发器表面,而对于倾斜的太阳辐照鲜有报道蒸发器的侧面区域由于其倾斜照射功能可以吸收自然状态的太阳能,从而可以增强有效加热面积和蒸发率。因此,侧面积辅助蒸发有望作为一种行之有效的策略来提高蒸发器的蒸发率。此外,在蒸发过程中,蒸发器周围形成的温暖环境会促进微生物的生长,严重影响蒸发器的使用寿命,尤其是废水处理。因此,利用功能性吸收剂同时实现高效蒸发和抗生物污染成为了研究的焦点。

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    有鉴于此,香港科技大学唐本忠院士等[2]报道了一种包含AIE发光原(AIEgens)的全纤维多孔圆柱状泡沫(AFPCF),该泡沫具有优异的光热转换和活性氧(ROS)生成能力,可实现高效的太阳能蒸汽器件,并展示出优异的抗生物污染效应。这项工作首次将侧面辅助蒸发和抗生物污染活性集成到蒸发器中。所呈现的蒸发器具有互连的多孔结构,具有出色的亲水性,可用于蒸汽逸出和供水,侧面辅助蒸发系统可增加有效蒸发面积,以及杀死纤维附近的细菌以防止生物污染。

    图4 二维结构到三维结构的转变及形貌表征

    3、ACS Nano:具有聚集诱导发光特性的仿生葡聚糖颗粒用于监测移植术后免疫反应

    对移植手术进行术后免疫反应实时监测,这是延长移植人存活时间的关键。目前来说,评价移植人免疫反应的黄金标准是进行活体组织检查。然而这类方法具有很强的侵入性,同时受限于组织尺寸和排异位点的异质性,活体组织检查常常还会出现假阴性结果,严重影响术后监测的效果。

    针对这一问题,香港科技大学唐本忠院士[3]报道了一种具有聚集诱导发光(AIE)特性的仿生葡聚糖颗粒(HBTTPEP/GPs),可用于非侵入性地实时监测移植术后免疫反应。作者通过结合分子转子(四苯乙烯等)和激发态分子内质子转移模块苯并噻唑设计了新型近红外发光AIE发光核(HBTTPEP)。通过研究HBTTPEP与葡聚糖颗粒间的相互作用,作者发现可以通过一步法将HBTTPEP高效聚集到葡聚糖颗粒中,并成功活化其荧光特性。

    进一步的表征发现,HBTTPEP在葡聚糖颗粒中可以形成晶态,而结晶的出现则有利于锁定和强化HBTTPEP的分子构象,从而最小化分子内运动并大幅提高荧光性能。当口服HBTTPEP/GPs后,通过追踪吞噬HBTTPEP/GPs的巨噬细胞的荧光信号可以监测皮肤移植小鼠模型的免疫反应。研究显示,体内荧光强度与排斥程度呈正相关关系,表明HBTTPEP/GPs可以监测移植排斥反应的进程,这一监测方式可以避免由手术创伤和自发荧光造成的“假阳”信号。该研究结果表明,这一AIE活性葡聚糖颗粒有望发展成可进行器官移植术后免疫监测的新型探针。

    图5 HBTTPEP/GPs的制备示意图和作用原理图

    4、Biomaterials:负载AIE发光原的纳米纤维膜用于太阳光触发的光动力/光热抗菌

    新冠肺炎等传染病疫情的爆发使得人们迫切需要开发出有效的个人防护设备(PPE)。然而,目前PPE的原材料严重短缺,并且不适当的PPE处理和消毒也会导致交叉污染。因此,开发既能拦截微生物又能自去污的抗菌材料对于构建可重复使用、可杀菌的PPE而言具有重要意义。

    有鉴于此,香港科技大学唐本忠院士等[4]利用静电纺丝技术制备了一种可被太阳光触发的纳米纤维膜(TTVB@NM),表现出了优异的光动力/光热联合抗菌能力。作者首先评估了AIE光敏剂TTVB的活性氧(ROS)产生能力并与商业化的光敏剂玫瑰红(RB)进行了对比,结果表明,在模拟太阳光照射下,TTVB比RB具有更强的ROS产生能力。由于其具有多孔的纳米结构,TTVB@NM对超细颗粒和致病性气溶胶具有非常出色的拦截效果。得益于具有AIE活性的掺杂剂所展现出的优越光物理性能,该TTVB@NM在可见光范围内具有良好的光吸收、高效的ROS生成和温和的光热转换性能。

    一系列的抗菌性能评价结果表明,TTVB@NM可在10分钟的阳光照射下能有效灭活含细菌(抑制率为99%)、真菌(抑制率为88%)和病毒(抑制率为99%)的致病性气溶胶。这一研究为构建可重复使用且高效杀菌的复合材料提供了一种新的策略,在生物防护领域具有重要的应用价值。

    图6 TTVB@NM制备示意图

    参考文献

    [1] Peng, J., Tomsia, A.P., Jiang, L. et al. Stiff and tough PDMS-MMT layered nanocomposites visualized by AIE luminogens. Nat Commun 12, 4539 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-24835-w.

    [2] Haoxuan Li, Wei Zhu, Meng Li, et al.Side Area-Assisted 3D Evaporator with Antibiofouling Function for Ultra-Efficient Solar Steam Generation. Adv. Mater. 2021, 2102258. DOI: 10.1002/adma.202102258.

    [3] ang Gao, Ya Wu, Wenyuan Wang, et al. Biomimetic Glucan Particles with Aggregation-Induced Emission Characteristics for Noninvasive Monitoring of Transplant Immune Response. ACS Nano 2021 15 (7), 11908-11928. DOI: 10.1021/acsnano.1c03029.

    [4] Meng Li, Haifei Wen, Haoxuan Li, et al. AIEgen-loaded nanofibrous membrane as photodynamic/photothermal antimicrobial surface for sunlight-triggered bioprotection. Biomaterials 276 (2021) 121007. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2021.121007.

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    12条评论
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    全部 3小时前 四川
    文字是人类用符号记录表达信息以传之久远的方式和工具。现代文字大多是记录语言的工具。人类往往先有口头的语言后产生书面文字,很多小语种,有语言但没有文字。文字的不同体现了国家和民族的书面表达的方式和思维不同。文字使人类进入有历史记录的文明社会。
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