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Advanced Science最新封面文章赏析

来源：科学10分钟时间：2021-09-07 13:37:09 浏览：1851次

Advanced Science是由美国著名出版商Wiley发布的半月刊，是一本开放获取期刊，最新影响因子达到了16.806。该期刊致力于跨学科的合作研究，收录范围涉及材料科学、物理学、化学、医学等多个学科的基础研究及应用研究。Advanced Science的封面文章必将满足以下几条中的一部分：实验设计新颖、实验结果优异、实验分析方法严谨等特点。下面，我们将聚焦这一顶级期刊最新出版几期的封面文章，对文章内容作简单的鉴赏。

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技术顾问吴老师：19113533771（微同）

1、探索用于细菌生物膜抗性复合设备的3D打印衍生式设计

DOI：10.1002/advs.202100249

在医疗领域，随着对人体疾病认识的加深，针对个体需求提供的个性化治疗的案例也在增加。工欲善其事必先利其器，现代医学的发展离不开医疗设备和医疗技术的进步，基于医疗环境对抗菌能力的严格要求，选择适合的建造材料被视作开发优质医疗设备的基础。筛选材料库可以为鉴定聚合物是否具有特殊的细胞引导——如控制免疫反应、抵抗细菌生物膜形成、促进干细胞附着和防止真菌定植等特性提供指导。利用筛选出的材料可以进行医疗器械生产，作为研究者，我们的目的是能够获得同时满足细胞诱导需求和达到机械性能标准的多功能医疗器材。3D打印技术可以使用多种功能材料，结合个性化制造方法和算法设计等手段，可以轻松获得满足特定个体需求的医疗器械，是实现未来个体化医疗的强力辅助。

在本文中，诺丁汉大学的Yinfeng He等人使用选择性单独沉积的两种配方，分别建造了具有特殊形变和还原性生物膜特质的复合结构。从生物学响应看，在不添加生物活性剂的情况下，与常用的硅橡胶相比，所得复合材料的细菌生物膜覆盖率降低了75%。同时，本文所使用的复合材料的机械性能可以根据用户要求，结合有限元建模和遗传算法，通过衍生式过程设计进行个性化调整。文中所制造的设备通过了机械规范和细菌细胞指导细则评估，证明采用文章所用方法可以成功实现多功能、个性化的医学衍生式设计，对未来的医学医疗技术发展具有重要的启发和开拓意义。

图1 根据本研究建立的模型方法获得的悬臂机械性能

2、将银籽嵌入图形凹槽中实现锂金属电池的无枝晶化

DOI：10.1002/advs.202100684

实现锂金属电池的无枝晶化运作是发展可充电锂金属电池所需要应对的关键挑战之一，近十几年内科学家们针对此议题开展了大量的探索工作。纵观现有的研究成果，抑制锂枝晶的生长主要从两个方面入手：诱导锂金属进行均匀成核和促进锂离子的均质分散。因此，向锂金属电池中引入能够有效增加活性表面的3D集流体可以有效减弱局部电流密度，抑制锂枝晶的生长，是一种有效的策略。但是，许多3D载体拥有疏松而多孔的结构，会大量吸收电解液，占据过多的体积，这将严重限制电池的质量和体积能量密度。为了解决这些问题，人们提出了一种新的策略：在锂箔上直接构造图案凹槽，以期获得更大的比表面积，调节锂金属的沉积行为。为了应对更加苛刻的实际工作条件，这一改良手段依然需要进一步优化。

在此，华中科技大学的Hua Wang等人通过简单的压擀工艺将银纳米线包埋在锂箔表面的图案凹槽中，这些交错的凹槽能够有效增加锂金属的表面积。同时，凹槽中的银纳米线作为电化学活性位点，为锂金属的均质成核和生长提供了辅助作用。在电化学测试中，观察到锂的成核沉积偏向于发生在凹槽内，而非地势相对较高的锂金属表面。具有一定深度和宽度的凹槽能够适应循环过程中锂的巨大体积变化，从而有利于电池库伦效率的稳定。在2 mA cm^-2/ 4 mAh cm^-2下循环360 h，其成核过电位低至16 mV，实现了优异的循环性能。分别与LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂和LiFePO₄正极配对装配全电池，能够分别实现94.2%(2000圈)和74.2%(4000圈)的容量保持率。总的来看，作者采用了一种简单的辊压嵌入法对含有凹槽纹样的锂金属进行表面修饰，实现了对电场的规制，抑制了锂的枝晶化生长，并表现出优异的循环稳定性。这一工作不仅为锂金属负极的电化学改良提供了有效的策略，更能够为调节用于其他的储能系统的金属负极提供参考案例。

图2 嵌埋银纳米线锂网格的制备方法与形貌

3、仿生运动机制：自调整4D打印可穿戴系统的计算设计和材料编程

DOI：10.1002/advs.202100411

4D打印是在3D打印基础上发展的一种材料合成技术，用于制造可编程生产的物质，可以随着时间推迟进行自我重塑或改变其运行方式。时至今日，4D打印技术作为一种自动化材料合成方法，已经成为了一种在结构化材料中引入各向异性的关键技术。但是这种技术对于材料和设备都具有高度特殊化的要求，为了实现差异化材料组织的构造，对材料编程的设计导向性也有极高的要求。本文作者Tiffany Cheng（斯图加特大学）提出了一种用于设计生物角色模型的材料编程方法，在4D打印自成型材料系统中的运行效果斐然。

作者提出的这种编程方法受到了自然界中植物结构的启发，将缠绕型植物的茎产生力的原理应用到打印技术中。这项工作介绍了具有复合仿生行为的4D打印设计方法。在3D打印的中尺度材料系统的基础上，为了模拟运动植物结构的各向异性排列，通过茎秆的螺旋张紧，在支撑物上产生挤压力，以抵抗重力，稳定材料的进一步“生长”。使用该方法合成的材料用在手腕前臂夹板中，能够增强其自紧功能。这一新颖的材料合成方法创造性地将仿生设计策略与4D运动打印机制相结合，为未来的可穿戴医学器械和用于其他领域的新型辅助设备打开了设计空间，拓宽了3D打印技术的应用领域。

图3 类红薯茎卷绕的材料结构及效果模拟图

4、氰石墨烯共价结合银，克服细菌对银纳米颗粒和抗生素的抗药性！

DOI：10.1002/advs.202003090

细菌对抗生素的抗药性一直是使现代医学家头疼的关键问题，不仅如此，在最近的研究中，甚至观察到了细菌因为产生鞭毛蛋白而对银纳米粒子引起抗性。在这篇文章中，帕拉基大学的David Panacek等研究人员针对细菌对抗生素和银纳米粒子产生的抗药性进行了具体的实验和探究。研究表明，极低浓度的氰基石墨烯共价结合银(GCN/Ag)就能杀死银纳米颗粒抗性细菌，而使用纯银纳米颗粒达到同样的效果则需要用到30倍的份量。GCN/Ag在细菌超过60代的连续传代后依旧没有抗药性，而胶体Ag纳米颗粒在细菌的20代传代后就观察到了抗药性。对于多重耐药菌株的杀菌测试中，GCN/Ag的抗菌性也远胜于银纳米颗粒，如此迥异的差距明显表明了GCN/Ag杀灭抗性细菌的有效性。

GCN/Ag中的腈基与银之间存在较强的多重配位键，即使放置了六个月，其银离子也仅有很少的浸出。与其他报道中的复合杀菌体、游离Ag纳米颗粒和银离子等相比，GCN/Ag与人体细胞的相容性相当高，这对于实际应用至关重要。根据分子动力学模拟的结果，GCN/Ag与细菌膜有很强的相互作用，其抗菌活性不依赖于银纳米颗粒或离子的释放。综合理论计算和以上实验结果来看，GCN/Ag对细菌抗药性的有效突破表明氰基石墨烯这样的刚性载体能够有效地与活性银选择性结合配体，这种设计绕过了已知的微生物耐药机制，为开发广谱抗菌剂开辟了崭新的道路。