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Advanced Science最新封面文章賞析

來源：科學10分鐘時間：2021-09-07 13:37:09 瀏覽：2516次

Advanced Science是由美國著名出版商Wiley發布的半月刊，是一本開放獲取期刊，最新影響因子達到了16.806。該期刊致力于跨學科的合作研究，收錄范圍涉及材料科學、物理學、化學、醫學等多個學科的基礎研究及應用研究。Advanced Science的封面文章必將滿足以下幾條中的一部分：實驗設計新穎、實驗結果優異、實驗分析方法嚴謹等特點。下面，我們將聚焦這一頂級期刊最新出版幾期的封面文章，對文章內容作簡單的鑒賞。

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技術顧問吳老師：19113533771（微同）

1、探索用于細菌生物膜抗性復合設備的3D打印衍生式設計

DOI：10.1002/advs.202100249

在醫療領域，隨著對人體疾病認識的加深，針對個體需求提供的個性化治療的案例也在增加。工欲善其事必先利其器，現代醫學的發展離不開醫療設備和醫療技術的進步，基于醫療環境對抗菌能力的嚴格要求，選擇適合的建造材料被視作開發優質醫療設備的基礎。篩選材料庫可以為鑒定聚合物是否具有特殊的細胞引導——如控制免疫反應、抵抗細菌生物膜形成、促進干細胞附著和防止真菌定植等特性提供指導。利用篩選出的材料可以進行醫療器械生產，作為研究者，我們的目的是能夠獲得同時滿足細胞誘導需求和達到機械性能標準的多功能醫療器材。3D打印技術可以使用多種功能材料，結合個性化制造方法和算法設計等手段，可以輕松獲得滿足特定個體需求的醫療器械，是實現未來個體化醫療的強力輔助。

在本文中，諾丁漢大學的Yinfeng He等人使用選擇性單獨沉積的兩種配方，分別建造了具有特殊形變和還原性生物膜特質的復合結構。從生物學響應看，在不添加生物活性劑的情況下，與常用的硅橡膠相比，所得復合材料的細菌生物膜覆蓋率降低了75%。同時，本文所使用的復合材料的機械性能可以根據用戶要求，結合有限元建模和遺傳算法，通過衍生式過程設計進行個性化調整。文中所制造的設備通過了機械規范和細菌細胞指導細則評估，證明采用文章所用方法可以成功實現多功能、個性化的醫學衍生式設計，對未來的醫學醫療技術發展具有重要的啟發和開拓意義。

圖1 根據本研究建立的模型方法獲得的懸臂機械性能

2、將銀籽嵌入圖形凹槽中實現鋰金屬電池的無枝晶化

DOI：10.1002/advs.202100684

實現鋰金屬電池的無枝晶化運作是發展可充電鋰金屬電池所需要應對的關鍵挑戰之一，近十幾年內科學家們針對此議題開展了大量的探索工作。縱觀現有的研究成果，抑制鋰枝晶的生長主要從兩個方面入手：誘導鋰金屬進行均勻成核和促進鋰離子的均質分散。因此，向鋰金屬電池中引入能夠有效增加活性表面的3D集流體可以有效減弱局部電流密度，抑制鋰枝晶的生長，是一種有效的策略。但是，許多3D載體擁有疏松而多孔的結構，會大量吸收電解液，占據過多的體積，這將嚴重限制電池的質量和體積能量密度。為了解決這些問題，人們提出了一種新的策略：在鋰箔上直接構造圖案凹槽，以期獲得更大的比表面積，調節鋰金屬的沉積行為。為了應對更加苛刻的實際工作條件，這一改良手段依然需要進一步優化。

在此，華中科技大學的Hua Wang等人通過簡單的壓搟工藝將銀納米線包埋在鋰箔表面的圖案凹槽中，這些交錯的凹槽能夠有效增加鋰金屬的表面積。同時，凹槽中的銀納米線作為電化學活性位點，為鋰金屬的均質成核和生長提供了輔助作用。在電化學測試中，觀察到鋰的成核沉積偏向于發生在凹槽內，而非地勢相對較高的鋰金屬表面。具有一定深度和寬度的凹槽能夠適應循環過程中鋰的巨大體積變化，從而有利于電池庫倫效率的穩定。在2 mA cm^-2/ 4 mAh cm^-2下循環360 h，其成核過電位低至16 mV，實現了優異的循環性能。分別與LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂和LiFePO₄正極配對裝配全電池，能夠分別實現94.2%(2000圈)和74.2%(4000圈)的容量保持率。總的來看，作者采用了一種簡單的輥壓嵌入法對含有凹槽紋樣的鋰金屬進行表面修飾，實現了對電場的規制，抑制了鋰的枝晶化生長，并表現出優異的循環穩定性。這一工作不僅為鋰金屬負極的電化學改良提供了有效的策略，更能夠為調節用于其他的儲能系統的金屬負極提供參考案例。

圖2 嵌埋銀納米線鋰網格的制備方法與形貌

3、仿生運動機制：自調整4D打印可穿戴系統的計算設計和材料編程

DOI：10.1002/advs.202100411

4D打印是在3D打印基礎上發展的一種材料合成技術，用于制造可編程生產的物質，可以隨著時間推遲進行自我重塑或改變其運行方式。時至今日，4D打印技術作為一種自動化材料合成方法，已經成為了一種在結構化材料中引入各向異性的關鍵技術。但是這種技術對于材料和設備都具有高度特殊化的要求，為了實現差異化材料組織的構造，對材料編程的設計導向性也有極高的要求。本文作者Tiffany Cheng（斯圖加特大學）提出了一種用于設計生物角色模型的材料編程方法，在4D打印自成型材料系統中的運行效果斐然。

作者提出的這種編程方法受到了自然界中植物結構的啟發，將纏繞型植物的莖產生力的原理應用到打印技術中。這項工作介紹了具有復合仿生行為的4D打印設計方法。在3D打印的中尺度材料系統的基礎上，為了模擬運動植物結構的各向異性排列，通過莖稈的螺旋張緊，在支撐物上產生擠壓力，以抵抗重力，穩定材料的進一步“生長”。使用該方法合成的材料用在手腕前臂夾板中，能夠增強其自緊功能。這一新穎的材料合成方法創造性地將仿生設計策略與4D運動打印機制相結合，為未來的可穿戴醫學器械和用于其他領域的新型輔助設備打開了設計空間，拓寬了3D打印技術的應用領域。

圖3 類紅薯莖卷繞的材料結構及效果模擬圖

4、氰石墨烯共價結合銀，克服細菌對銀納米顆粒和抗生素的抗藥性！

DOI：10.1002/advs.202003090

細菌對抗生素的抗藥性一直是使現代醫學家頭疼的關鍵問題，不僅如此，在最近的研究中，甚至觀察到了細菌因為產生鞭毛蛋白而對銀納米粒子引起抗性。在這篇文章中，帕拉基大學的David Panacek等研究人員針對細菌對抗生素和銀納米粒子產生的抗藥性進行了具體的實驗和探究。研究表明，極低濃度的氰基石墨烯共價結合銀(GCN/Ag)就能殺死銀納米顆粒抗性細菌，而使用純銀納米顆粒達到同樣的效果則需要用到30倍的份量。GCN/Ag在細菌超過60代的連續傳代后依舊沒有抗藥性，而膠體Ag納米顆粒在細菌的20代傳代后就觀察到了抗藥性。對于多重耐藥菌株的殺菌測試中，GCN/Ag的抗菌性也遠勝于銀納米顆粒，如此迥異的差距明顯表明了GCN/Ag殺滅抗性細菌的有效性。

GCN/Ag中的腈基與銀之間存在較強的多重配位鍵，即使放置了六個月，其銀離子也僅有很少的浸出。與其他報道中的復合殺菌體、游離Ag納米顆粒和銀離子等相比，GCN/Ag與人體細胞的相容性相當高，這對于實際應用至關重要。根據分子動力學模擬的結果，GCN/Ag與細菌膜有很強的相互作用，其抗菌活性不依賴于銀納米顆粒或離子的釋放。綜合理論計算和以上實驗結果來看，GCN/Ag對細菌抗藥性的有效突破表明氰基石墨烯這樣的剛性載體能夠有效地與活性銀選擇性結合配體，這種設計繞過了已知的微生物耐藥機制，為開發廣譜抗菌劑開辟了嶄新的道路。