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聚集誘導(dǎo)發(fā)光開拓者：唐本忠院士！

來源：測試GO 時間：2021-09-07 13:39:17 瀏覽：2277次

引言

唐本忠，中國科學(xué)院院士，香港科技大學(xué)張鑒泉理學(xué)院士、化學(xué)系與生物醫(yī)學(xué)工程系講座院士，華南理工大學(xué)-香港科技大學(xué)聯(lián)合研究院院長。

唐本忠院士1957年出生于湖北省潛江市；1982年于華南理工大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，1985年、1988年先后獲日本京都大學(xué)碩士、博士學(xué)位；曾在多倫多大學(xué)從事博士后研究工作。1994年7月加盟香港科技大學(xué)，2015年在華南理工大學(xué)組建人體組織功能重建國家工程技術(shù)研究中心支持下獲批香港分中心，并任主任一職。2009年增選為中國科學(xué)院院士，2013年入選英國皇家化學(xué)會會士。現(xiàn)為科技部973計劃項目首席科學(xué)家、國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目負責(zé)人、廣東省引進創(chuàng)新科研團隊帶頭人、華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國家重點實驗室學(xué)術(shù)委員會主任、中國化學(xué)會和英國皇家化學(xué)會聯(lián)合期刊Materials Chemistry Frontiers主編，以及新刊Aggregate主編。

唐本忠院士長期致力于有機光電功能材料在生物醫(yī)用及光電診療方向的應(yīng)用研究，其所提出的原創(chuàng)“聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）”材料體系及其在光電功能材料和生物成像領(lǐng)域的應(yīng)用，入選中科院文獻情報中心和湯森路透聯(lián)合發(fā)布的《2015年科學(xué)研究前沿》，并位于化學(xué)與材料學(xué)研究熱點的第二位。2016年《Nature》一篇新聞深度分析文章將AIE點（納米粒子）列為支撐和驅(qū)動未來納米光革命的四大材料體系之一（是唯一由中國人提出并引領(lǐng)的材料體系），也是最有希望應(yīng)用于高品質(zhì)生物成像與動態(tài)監(jiān)測的材料體系，并作為美國CNBC電視臺“Year of Cancer”的主題實況專訪向全球直播介紹AIE熒光探針在識別癌癥細胞等領(lǐng)域的應(yīng)用。2018年，唐本忠院士獲得“2017年度國家自然科學(xué)一等獎”（第一完成人）。

目前，由唐本忠院士開拓的AIE領(lǐng)域已經(jīng)召開了兩年一屆的專題會議4次，在2015、2020年環(huán)太平洋國際化學(xué)會議上也設(shè)置了AIE分會，英國皇家化學(xué)會《Faraday Discussion》也來到中國集中討論AIE相關(guān)成果。國內(nèi)外的著名雜志已經(jīng)出版了10期AIE?？?，目前已有5卷AIE的編著出版。AIE的研究也得到了媒體的青睞和宣傳，《紐約時報》、美國全國廣播公司財經(jīng)頻道（CNBC）、《南方都市報》和《南華早報》等都報道了唐本忠院士及其研發(fā)的AIE材料在有機發(fā)光二極管（OLED）、癌癥成像和診斷方面、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)和細菌檢測等方面應(yīng)用的成果（圖1）?？梢哉f，在唐本忠院士的帶領(lǐng)下，AIE在不到二十年的時間中，完成了從 “概念”到“領(lǐng)域”的升華。

圖1 AIE的應(yīng)用

作為AIE概念的提出者和研究的引領(lǐng)者，唐本忠院士累計發(fā)表學(xué)術(shù)論文約1600篇，他引12萬余次，h指數(shù)為159，并于2014~2019年連續(xù)入選化學(xué)和材料雙領(lǐng)域高被引用科學(xué)家（圖2）。同時，唐本忠院士先后獲得多項榮譽及獎勵，如國家自然科學(xué)一等獎（2017），何梁何利科學(xué)與技術(shù)進步獎（2017）、第27屆夸瑞茲密國際科學(xué)獎（2014）、美國化學(xué)會高分子學(xué)術(shù)報告獎（2012）、國家自然科學(xué)二等獎（2007）、裘槎高級研究成就獎（2007）、中國化學(xué)會高分子基礎(chǔ)研究王葆仁獎（2007）和愛思唯爾出版社馮新德聚合物獎（2007）等。同時，AIE作為由中國科學(xué)家開創(chuàng)和引導(dǎo)的新領(lǐng)域，也吸引了來自全球科學(xué)家的研究興趣和前沿商業(yè)的關(guān)注，發(fā)表的論文數(shù)和引用數(shù)均呈指數(shù)增長，80余個國家和地區(qū)的4500余家研究單位的科學(xué)家的關(guān)注和跟進此工作。其中，AIE在高靈敏度熒光傳感和高分辨率熒光成像以及動態(tài)示蹤方面展現(xiàn)出來的潛質(zhì)，將有力地推動生物醫(yī)用材料和相關(guān)研究的飛速發(fā)展。目前，唐本忠已累計培養(yǎng)各類人才近400人，有200余人活躍在科研領(lǐng)域，其中包括國家杰青10人、青千及優(yōu)青20余人，并擁有獨立課題組100余個。

圖2 谷歌學(xué)術(shù)檢索唐本忠院士個人資料

為了帶領(lǐng)大家一覽大牛風(fēng)采，筆者將挑選唐本忠院士團隊最新的代表性科研成果，進行簡單的匯總解讀，希望能給相關(guān)領(lǐng)域科研工作者帶來一絲啟發(fā)。

最新研究成果解讀

1、Nature Communications：通過AIE可視化層狀納米復(fù)合材料的增韌機理！

聚二甲基硅氧烷（PDMS）由于具有優(yōu)異的生物相容性、穩(wěn)定性、高透明度且易于成型，逐漸成為目前應(yīng)用最廣泛的軟材料之一，在微流體、組織工程、柔性設(shè)備、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。然而，PDMS的楊氏模量很低，經(jīng)常需要改性來提高其剛度和承重能力。楊氏模量的微調(diào)困難和低韌性嚴重阻礙了其在組織工程和柔性器件等領(lǐng)域的應(yīng)用。

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有鑒于此，香港科技大學(xué)唐本忠院士等^[1]通過冰模板技術(shù)開發(fā)了聚二甲基硅氧烷-蒙脫石層狀（PDMS-MMT-L）納米復(fù)合材料，與純PDMS相比，其楊氏模量和韌性分別提高了23倍和12倍。作者采用珠光體為材料，利用聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）分子輔助共聚焦成像技術(shù)獲得的熒光圖像重建了PDMS-MMT-L納米復(fù)合材料的三維結(jié)構(gòu)。AIE原位示蹤顯示了裂紋的擴展表面，分析認為，楊氏模量的大幅提高是由于連續(xù)剛性的MMT骨架在拉伸過程開始時產(chǎn)生了較高的應(yīng)力，且層狀結(jié)構(gòu)引起的裂紋撓度和裂紋橋接均可提高韌度。

此外，為了探討PDMS-MMT-L納米復(fù)合材料的增韌機理，作者還建立了一種基于原位共聚焦熒光顯微鏡的裂紋擴展觀測技術(shù)，關(guān)注少量拉伸下的裂紋擴展過程。這項工作表明AIE輔助表征技術(shù)可以作為一種通用的方法來更好的評價有機-無機納米復(fù)合材料的增韌機理。

圖3 PDMS-MMT-L材料的制備及結(jié)構(gòu)表征

2、Advanced Materials：具有抗菌防污功能的超高效太陽能蒸發(fā)器

由于具有綠色環(huán)保和低成本的優(yōu)勢，太陽能驅(qū)動的界面蒸汽發(fā)電（SISG）被認為是目前解決水資源短缺的有效策略之一。在過去的幾十年里，科學(xué)家們一直致力于設(shè)計理想的蒸發(fā)器，包括用于高效光熱轉(zhuǎn)換的太陽能吸收器以及用于隔熱和輸水的浮動結(jié)構(gòu)，以期增加蒸發(fā)效率。然而，傳統(tǒng)的2D蒸發(fā)器空間利用率低、熱損失高，已逐漸無法滿足當(dāng)今社會對高效蒸發(fā)器的需求。且以往的研究通常將蒸發(fā)試驗時模擬的太陽輻照設(shè)置為垂直于蒸發(fā)器表面，而對于傾斜的太陽輻照鮮有報道。蒸發(fā)器的側(cè)面區(qū)域由于其傾斜照射功能可以吸收自然狀態(tài)的太陽能，從而可以增強有效加熱面積和蒸發(fā)率。因此，側(cè)面積輔助蒸發(fā)有望作為一種行之有效的策略來提高蒸發(fā)器的蒸發(fā)率。此外，在蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)器周圍形成的溫暖環(huán)境會促進微生物的生長，嚴重影響蒸發(fā)器的使用壽命，尤其是廢水處理。因此，利用功能性吸收劑同時實現(xiàn)高效蒸發(fā)和抗生物污染成為了研究的焦點。

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有鑒于此，香港科技大學(xué)唐本忠院士等^[2]報道了一種包含AIE發(fā)光原（AIEgens）的全纖維多孔圓柱狀泡沫（AFPCF），該泡沫具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換和活性氧（ROS）生成能力，可實現(xiàn)高效的太陽能蒸汽器件，并展示出優(yōu)異的抗生物污染效應(yīng)。這項工作首次將側(cè)面輔助蒸發(fā)和抗生物污染活性集成到蒸發(fā)器中。所呈現(xiàn)的蒸發(fā)器具有互連的多孔結(jié)構(gòu)，具有出色的親水性，可用于蒸汽逸出和供水，側(cè)面輔助蒸發(fā)系統(tǒng)可增加有效蒸發(fā)面積，以及殺死纖維附近的細菌以防止生物污染。

圖4 二維結(jié)構(gòu)到三維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變及形貌表征

3、ACS Nano：具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光特性的仿生葡聚糖顆粒用于監(jiān)測移植術(shù)后免疫反應(yīng)

對移植手術(shù)進行術(shù)后免疫反應(yīng)實時監(jiān)測，這是延長移植人存活時間的關(guān)鍵。目前來說，評價移植人免疫反應(yīng)的黃金標(biāo)準(zhǔn)是進行活體組織檢查。然而這類方法具有很強的侵入性，同時受限于組織尺寸和排異位點的異質(zhì)性，活體組織檢查常常還會出現(xiàn)假陰性結(jié)果，嚴重影響術(shù)后監(jiān)測的效果。

針對這一問題，香港科技大學(xué)唐本忠院士等^[3]報道了一種具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）特性的仿生葡聚糖顆粒（HBTTPEP/GPs），可用于非侵入性地實時監(jiān)測移植術(shù)后免疫反應(yīng)。作者通過結(jié)合分子轉(zhuǎn)子（四苯乙烯等）和激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移模塊苯并噻唑設(shè)計了新型近紅外發(fā)光AIE發(fā)光核（HBTTPEP）。通過研究HBTTPEP與葡聚糖顆粒間的相互作用，作者發(fā)現(xiàn)可以通過一步法將HBTTPEP高效聚集到葡聚糖顆粒中，并成功活化其熒光特性。

進一步的表征發(fā)現(xiàn)，HBTTPEP在葡聚糖顆粒中可以形成晶態(tài)，而結(jié)晶的出現(xiàn)則有利于鎖定和強化HBTTPEP的分子構(gòu)象，從而最小化分子內(nèi)運動并大幅提高熒光性能。當(dāng)口服HBTTPEP/GPs后，通過追蹤吞噬HBTTPEP/GPs的巨噬細胞的熒光信號可以監(jiān)測皮膚移植小鼠模型的免疫反應(yīng)。研究顯示，體內(nèi)熒光強度與排斥程度呈正相關(guān)關(guān)系，表明HBTTPEP/GPs可以監(jiān)測移植排斥反應(yīng)的進程，這一監(jiān)測方式可以避免由手術(shù)創(chuàng)傷和自發(fā)熒光造成的“假陽”信號。該研究結(jié)果表明，這一AIE活性葡聚糖顆粒有望發(fā)展成可進行器官移植術(shù)后免疫監(jiān)測的新型探針。

圖5 HBTTPEP/GPs的制備示意圖和作用原理圖

4、Biomaterials：負載AIE發(fā)光原的納米纖維膜用于太陽光觸發(fā)的光動力/光熱抗菌

新冠肺炎等傳染病疫情的爆發(fā)使得人們迫切需要開發(fā)出有效的個人防護設(shè)備（PPE）。然而，目前PPE的原材料嚴重短缺，并且不適當(dāng)?shù)腜PE處理和消毒也會導(dǎo)致交叉污染。因此，開發(fā)既能攔截微生物又能自去污的抗菌材料對于構(gòu)建可重復(fù)使用、可殺菌的PPE而言具有重要意義。

有鑒于此，香港科技大學(xué)唐本忠院士等^[4]利用靜電紡絲技術(shù)制備了一種可被太陽光觸發(fā)的納米纖維膜（TTVB@NM），表現(xiàn)出了優(yōu)異的光動力/光熱聯(lián)合抗菌能力。作者首先評估了AIE光敏劑TTVB的活性氧（ROS）產(chǎn)生能力并與商業(yè)化的光敏劑玫瑰紅（RB）進行了對比，結(jié)果表明，在模擬太陽光照射下，TTVB比RB具有更強的ROS產(chǎn)生能力。由于其具有多孔的納米結(jié)構(gòu)，TTVB@NM對超細顆粒和致病性氣溶膠具有非常出色的攔截效果。得益于具有AIE活性的摻雜劑所展現(xiàn)出的優(yōu)越光物理性能，該TTVB@NM在可見光范圍內(nèi)具有良好的光吸收、高效的ROS生成和溫和的光熱轉(zhuǎn)換性能。

一系列的抗菌性能評價結(jié)果表明，TTVB@NM可在10分鐘的陽光照射下能有效滅活含細菌(抑制率為99%)、真菌(抑制率為88%)和病毒(抑制率為99%)的致病性氣溶膠。這一研究為構(gòu)建可重復(fù)使用且高效殺菌的復(fù)合材料提供了一種新的策略，在生物防護領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

圖6 TTVB@NM制備示意圖

參考文獻

[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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