当前位置： X-MOL首页 › 行业资讯 › ACS材料视界
应用材料 纳米 能源 药化

Biomacromolecules封面 | 内皮细胞启发的血液相容性硅橡胶表面：巧妙调和抗污性能与内皮细胞选择性的艺术

英文原题：Endothelium-Inspired Hemocompatible Silicone Surfaces: An Elegant Balance Between Antifouling Properties and Endothelial Cell Selectivity通讯作者：刘小莉、陈红（苏州大学）作者：Qiulian Wu（吴秋联）, Shuaihang Guo（郭帅杭）, Xinyi Liang（梁馨怡）, Wei Sun（孙薇）, Jiao Lei（雷姣）, Lisha Pan（潘丽沙）血液接触材料的植入常常伴随着血栓形成和内膜增生等不良反应。设计血液接触材料时，必须充分考虑人体血液与材料表面之间复杂的生化反应。天然血管内皮被认为是最理想的抗血栓表面，其中内皮细胞构成了覆盖血管壁内表面的保护膜。内皮细胞在多种生理过程中发挥着关键作用，包括凝血、抑制平滑肌细胞过度增殖以及抗血小板粘附/激活等。模仿内皮细胞的关键特征是开发血液相容性材料的有效手段，但目前人工合成的多功能材料表面仍难以与天然的内皮层媲美。在构建仿内皮表面时，研究人员通常选用抗污组分来抵御非特异性蛋白质吸附，然后引入生物活性分子来提高内皮细胞亲和性。然而，这种策略不可避免地会削弱抗污成分抵抗蛋白质吸附和血小板粘附的能力，引入的生物活性分子也会受其他功能组分的影响，从而导致内皮细胞选择性降低。因此，将这些多样的功能融合到一个材料表面，并达到一个理想的平衡状态，无疑是一项极具挑战性的任务。如图1所示，本研究从内皮细胞的多功能性中汲取灵感，通过表面接枝共聚合的方法，巧妙平衡了抗污特性与内皮细胞选择性之间的矛盾，为血液相容性材料的设计提供了新思路。图1. 仿内皮多功能材料表面：结合抗污组分、糖胺聚糖类似物和NO释放功能，在抵抗蛋白质吸附、血小板和平滑肌细胞粘附的同时，有效促进内皮细胞粘附、增殖和迁移本文通过可见光引发聚合技术，将抗污组分单体甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯（OEGMA）与糖胺聚糖类似物单体4-苯乙烯磺酸钠（SS）共聚接枝在聚二甲基硅氧烷硅橡胶表面，随后在这一共聚接枝改性的表面通过共价结合的方式固定NO催化剂硒代胱胺（SeCA）。通过改变共聚单体比例（SS:OEGMA的比值分别为1、3和10），开发了一系列兼具抗污性能、糖胺聚糖类似物功能和NO生成能力的内皮仿生硅橡胶材料表面（SxOy-Se，x = 1, 3, 10; y = 1）（图2）。图2. 内皮仿生硅橡胶材料表面的制备示意图通过巧妙选择共聚单体（抗污组分单体OEGMA和糖胺聚糖类似物单体SS），并精确调控共聚接枝改性过程中两单体的投料比例，材料表面的抗污性能和内皮细胞选择性两者达到了有效平衡。其中，S10O1-Se表面的抗污性能最佳（血小板粘附数量降低~90%，平滑肌细胞壁粘附数量降低~93%）。值得一提的是，该表面的抗污性能并未降低其对内皮细胞的选择性，内皮细胞（HUVECs）和平滑肌细胞（HUVSMCs）共培养实验数据显示，S10O1-Se表面HUVECs/HUVSMCs的比值达到了最佳（~1.7）（图3）。图3. 内皮仿生多功能材料表面的抗污性能和血管细胞选择性总结/展望在这项工作中，作者通过模拟健康内皮细胞层的抗污特性、糖胺聚糖类似物功能和NO生成能力，构建了仿内皮多功能硅橡胶材料表面。通过合理调控抗污单体OEGMA和糖胺聚糖类似物单体SS的投料比，该多功能表面在抵抗非特异性蛋白质吸附、血小板粘附和活化以及平滑肌细胞粘附、增殖和迁移的同时，能够有效促进内皮细胞粘附、增殖和迁移，从而巧妙地实现了抗污性能和内皮细胞选择性间的有效平衡。未来的工作将对该内皮细胞仿生多功能硅橡胶材料的体内植入效果进行评价。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Endothelium-Inspired Hemocompatible Silicone Surfaces: An Elegant Balance between Antifouling Properties and Endothelial Cell SelectivityQiulian Wu, Shuaihang Guo, Xinyi Liang, Wei Sun, Jiao Lei, Lisha Pan, Xiaoli Liu*, Hong Chen*Biomacromolecules, 2024, 25, 11, 7202–7215https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c00890 Published August 27, 2024© 2024 American Chemical Society通讯作者信息刘小莉：苏州大学材料与化学化工学部副教授，苏州大学大分子与生物表界面重点实验室（MacBio）成员，江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养对象，江苏省科技副总，先后担任国际期刊Polymer Chemistry和Colloids and Surfaces B: Biointerfaces编辑助理。2012年6月毕业于武汉理工大学材料科学与工程学院并获得生物材料学博士学位。2012年8月加入苏州大学材料与化学化工学部，并于2015年晋升为副教授。主要研究方向包括：生物材料表面改性及功能化；多功能血液接触材料表面的构建；高分子材料表面的类肝素化研究；微流控芯片材料表面改性及生物功能化。主持完成国家自然科学基金青年科学基金项目1项、国家自然科学基金面上项目2项、省级科研项目2项、江苏省产学研合作项目1项以及企业合作项目1项，共发表SCI论文五十余篇。陈红：苏州大学材料与化学化工学部教授，国家杰出青年科学基金获得者，英国皇家化学会会士（FRSC），国际生物材料科学与工程学会联合会（IUSBSE）终身荣誉会士，中国生物材料学会会士，Colloids and Surfaces B: Biointerfaces编辑。主持和承担包括国家自然科学基金重点项目、重大国际合作项目、科技部重点研发计划课题等在内的数十余项国家级项目。发表国际期刊论文两百余篇。 目前为全国医用体外循环设备标准化技术委员会委员、中国生物材料学会生物材料表界面工程分会名誉委员、中国生物材料学会标准工作委员会委员、中国生物材料学会生物材料生物学评价分会常务委员、江苏省化学化工学会理事、江苏省化学化工学会高分子化学与物理专业委员会主任委员、苏州工业园区生物材料表界面工程研究院院长。研究领域：生物医用高分子材料的表面改性与功能化；蛋白质、细胞与材料表面的相互作用；血液相容性材料；生物检测材料；干细胞分化诱导材料；细胞改造及肿瘤免疫治疗。（本稿件来自ACS Publications）
来源： Biomacromolecules 2024-11-18

西湖大学窦文杰团队JPCA｜随机轨道恒等式分解CC2方法：大体系基态和三重态激发能计算

英文原题：Stochastic Resolution of Identity to CC2 for Large Systems: Ground State and Triplet Excitation Energy Calculations通讯作者：窦文杰 (西湖大学)，Joonho Lee (哈佛大学)作者： 赵冲霄背景介绍在理论化学领域，为复杂体系开发准确且廉价的电子结构计算方法至今仍是一个难题。自上世纪Hartree-Fock方法问世以来，人们为了修正电子关联的部分，发展了一系列的方法，如组态相互作用 (CI), Møller–Plesset微扰理论 (MBPT) 和耦合簇理论 (CC) 等。这些方法为电子结构的分析和计算提供了相对准确的结果，常用的方法如CCSD等极大地推动了相关领域的发展。然而，这些方法通常拥有较高的计算量，因而难以用于复杂大体系的计算。对于动辄成百上千个电子的大分子，现有的方法模型难以满足实际应用的需要。文章亮点近日，西湖大学窦文杰教授在JPCA上发表了基于随机轨道恒等式分解的CC2方法 (sRI-CC2) 的研究，与常用的方法相比，可以将计算量由O(N5) 显著得降至O(N3)，可用于近千电子大小体系的基态和三重态激发能的计算。图1. sRI-CC2基态和三重态激发能: (左) 氢二聚体链, sto-3g基组; (右)烯烃链, cc-pVDZ基组为验证sRI-CC2方法的普适性，作者选取测试不同体系和基组，图1中展示了部分结果。由于用到了随机近似，产生的标准偏差在图中用误差棒体现，随体系增大基本恒定在较小的数值。数据与作为参照的RI-CC2结果基本符合，体现了较高的准确性。图2. sRI-CC2基态能计算CPU时间 (水分子团簇, cc-pVDZ基组)图2展示了sRI-CC2方法在计算量上的表现。常用的RI-CC2方法给出了近O(N5)的计算量，且由于计算大体系时需要更多的存储，止步于含300电子的水团簇。从近100电子的交叉点开始，新开发的sRI-CC2方法在耗时方面表现更佳，计算量接近O(N3)，能用于近千电子的大体系计算。总结与展望综上，窦文杰团队开发的sRI-CC2方法能在基本保证准确性的同时，将计算量显著降低至O(N3)，为大体系的计算有效地提供了一种可替代的方法。团队未来会继续研究大体系低阶计算相关性质和方法，如分析梯度、导数耦合等，并尝试与动力学部分有机结合。相关论文发表在JPCA上，西湖大学博士研究生赵冲霄为文章的第一作者， 窦文杰教授为通讯作者。通讯作者信息窦文杰  研究员窦文杰。2018年在宾夕法尼亚大学取得化学博士学位，之后在加州大学伯克利分校从事博士后研究。于2021年加入西湖大学开展独立研究工作，组建理论计算化学实验室，现为西湖大学特聘研究员和博士生导师。研究方向主要涉及多体非绝热动力学和大尺度电子结构计算。欢迎对理论计算化学感兴趣的本科生及研究生申请课题组博士研究生，同时课题组诚招博士后和研究助理，实验室提供优厚的个人待遇和有力的职业发展支持。课题组主页:https://dougroup.westlake.edu.cn/index.html 邮箱:douwenjie@westlake.edu.cn扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文J. Phys. Chem. A 2024, 128, 42, 9302–9310Publication Date: October 11, 2024https://doi.org/10.1021/acs.jpca.4c04264 © 2024 American Chemical SocietyEditor-in-ChiefJoan-Emma SheaUniversity of California Santa BarbaraDeputy EditorT. Daniel CrawfordVirginia TechThe Journal of Physical Chemistry A发表与分子、离子、自由基、团簇和气溶胶相关的物理化学实验、理论和计算研究。JPC A强调在大气和环境化学、气溶胶过程、分子地球化学、燃烧、天体化学、等离子体、冷分子、催化和高能材料等领域的应用。2-Year Impact FactorCiteScoreTime to First Peer Review Decision2.75.235.1
来源： The Journal of Physical Chemistry A 2024-11-07

Macromolecules | 上海交通大学颜徐州团队本科生一作：金属环交联剂工程设计机械性能优异的荧光超分子聚合物材料

英文原题：Mechanically Robust Supramolecular Fluorescent Materials Enabled by Metallacyclic Cross-Linker Engineering通讯作者：颜徐州、张照明、刘昱迒（上海交通大学）作者：刘彦希(本科生)，刘昱迒，赵骏，王文彬，刘国权，赵鑫阳，王永明，邓景熙，岳川，杨莉，石枭昕，张照明，俞炜，颜徐州超分子交联剂在超分子聚合物（Supramolecular Polymer Network, SPN）的构筑中起到至关重要的作用，影响着所得SPN材料的性能。因此，对超分子交联剂进行创新性化学设计是赋予SPN优异机械性能和响应性功能的关键。金属环/笼交联剂因其特定的拓扑结构、稳定的刚性框架和功能基团引入的便捷性，形成了独特的结构和功能优势。这些特质使它们成为了构建高性能SPN的理想选择。然而，目前在金属环/笼型超分子聚合物的研究中，关于金属环/笼对聚合物机械性能的增强机制探索不足、更多新兴功能也有待发掘。因此，开发同时具有优异力学性能和丰富功能的金属环/笼型交联SPN材料仍是一个重大挑战。本工作首先充分利用了金属环交联剂的结构和功能优势，将金属环交联的SPN制备成为具有强大机械性能和智能功能的集成平台。其次，这一工作通过流变学测试研究了交联剂中两种正交的超分子作用对机械性能和动态性能的影响，揭示了交联剂结构与SPN机械性能的构效关系。最后，这一工作利用四苯乙烯（TPE）基团荧光构象敏感的特性为SPN本体材料带来随应变增强的荧光，并建立了SPN荧光强度与交联剂构象之间的关系。图1. 金属环交联的超分子聚合物网络的设计与构筑如图1所示，本文设计的金属环交联剂有两个主要部分：菱形核中的TPE为SPN带来荧光功能；UPy端基，可以作为结合位点形成稳健而动态的四重氢键。该交联剂可以通过双吡啶配体和有机铂(II)受体之间的配位驱动自组装，以1:1的化学计量定量合成。本研究采用的线性聚合物（LP），是通过开环异位聚合（ROMP）制备的修饰了DAN基团的聚降冰片烯衍生物。将LP和金属环交联剂在氯仿中混合，可以通过金属环的UPy端基和LP的DAN修饰基团形成强度较高的互补四重氢键，构筑成SPN。此外，可以通过控制加入金属环的比例来调控SPN的交联密度。为了更好地研究菱形金属环特有的交联作用，作者还制备了由纯配体交联的对照（control）。作者通过核磁共振谱、红外光谱、共聚焦显微等证实形成了均匀的交联网络结构。作者通过单轴拉伸试验表征了SPN与control的力学性能。与对照组相比，SPN-2在杨氏模量（113.7 vs 76.1 MPa）、断裂应力（15.9 vs 11.4 MPa）和韧性（73.1 vs 52.5 MJ/m3）等力学性能方面表现出显著优势。这些结果表明，金属环刚性稳定的框架既可以作为多价键交联剂，也可以作为增强组分，增强SPN从而提高其强度和刚性。图2. SPN-2与control的动态性能表征及流变学测试在应力松弛试验中，70 °C以下SPN-2表现出缓慢而有限的应力释放，与永久交联聚合物类似；高于70 °C，可观察到快速而显著的应力松弛，类似于线性聚合物，表明超分子网络被破坏，该解离温度四重氢键的解离温度一致。同时，control表现出与SPN-2形状相似的主曲线，表明它们具有与动态粘弹性行为相关的相似结构。然而，与对照相比，SPN-2的主曲线显示出更高的模量，与先前拉伸试验中一致。因此，作者推测金属环交联SPN的动态性主要源于更活泼的四重氢键，而含金属配位作用的菱形核心赋予了网络结构稳定性。图3. 超分子聚合物网络的荧光及其力响应性研究除了提高SPNs的力学性能外，TPE基金属环的引入也使其具有良好的可调节发光性能。如图3所示，PL光谱显示，SPN-2的最大发射强度是对照的3.6倍，相对于control，SPN-2也显示出更高的量子产率，荧光强度的增加归因于刚性金属环施加的额外限制，减少了TPE的振动和旋转，从而增加了辐射跃迁的可能性。SPN-2表现出应变诱导的荧光增强，不同应变下的发射曲线具有几乎相同的最大发射波长，但最大强度显著增加，且量子产率呈上升趋势。在拉伸过程中，荧光颜色不变与菱形金属环的完整性有关，而发射强度的增加是由于金属环交联中TPE单元构象的应变引起的平面化。总结与展望本研究设计并构建了一系列具有优异机械性能和多种功能的SPN。菱形金属环交联稳定的刚性框架，能够显著地增强SPN。进一步的流变学研究表明，强度和刚性的提高源于菱形金属环的加入，而金属环端基形成的稳健可逆的四重氢键作为牺牲键，促进了能量的耗散，从而保证了良好的韧性。金属环交联剂通过自组装集成了多种功能模块，使SPN成为了多功能集成平台。金属环核上的TPE基团赋予了SPN本体下的光致发光功能，并且其在外力作用发生的构象转变，为SPN提供了力响应荧光。此外，菱形金属环端基与线性聚合物修饰基团形成的四重氢键，为网络带来了自愈合和可再加工等丰富的动态功能。这项工作可以为高性能智能超分子聚合物材料的分子设计提供有价值的见解。相关论文发表在Macromolecules 上。上海交通大学本科生刘彦希、博士生刘昱迒为文章的第一作者，上海交通大学颜徐州研究员、张照明助理研究员、博士生刘昱迒为通讯作者。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Mechanically Robust Supramolecular Fluorescent Materials Enabled by Metallacyclic Cross-Linker EngineeringYanxi Liu, Yuhang Liu*, Jun Zhao, Wenbin Wang, Guoquan Liu, Xinyang Zhao, Yongming Wang, Jingxi Deng, Chuan Yue, Li Yang, Xiaoxin Shi, Zhaoming Zhang*, Wei Yu, and Xuzhou Yan*Macromolecules, 2024, 57, 19, 9323-9333https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c01689 Published September 25, 2024© 2024 American Chemical Society（本稿件来自ACS Publications）
来源： Macromolecules 2024-11-06

华理田禾院士/张隽佶教授团队Chem & Bio Engineering |细胞诱导型粘弹性水凝胶的设计与制备

英文原题：Design and Fabrication of Viscoelastic Hydrogels as Extracellular Matrix Mimicry for Cell Engineering通讯作者：Junji Zhang (张隽佶), 华东理工大学 作者： Zi-Yuan Li  (李自远) 背景介绍粘弹性是指一种材料同时具备弹性和粘性的特性。具体来说，弹性材料能够在外部应力消失后恢复至原始形状，而粘性材料则在形变过程中会消耗部分能量。这种特性在生物组织中普遍存在，例如软骨、肌肉和皮肤等，这些组织的粘弹性使其能够有效地承受并分散外力，同时维持自身的结构稳定。生物组织中的粘弹性主要源自细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）的独特物理属性和结构特征。具体来说，ECM是一个由多种生物分子，如胶原蛋白、弹性蛋白、蛋白聚糖、糖蛋白及非胶原蛋白等组成的复杂网络，这些成分协同作用，构建了一个三维的动态支持框架，不仅为细胞提供了必要的力学环境，还支持着细胞的各种生命活动。水凝胶是一类高度吸水的三维网络结构材料，其结构稳定性和功能性依赖于内部形成的交联网络。根据交联机制的不同，可以将水凝胶的交联方式大致分为两大类：物理交联和化学交联。物理交联主要包括氢键、疏水作用、供体-受体识别、金属离子配位以及主-客体相互作用等；而涉及粘弹性的化学交联主要为动态共价键，比如希夫碱反应、硼酸酯键和二硫键交换等。这两种交联方式的可逆特性，可使水凝胶具备粘弹性并能够模拟生物组织的动态力学行为，因而在细胞培养、组织工程、生物打印、药物递送系统及人工器官开发等多个领域展现出广泛的应用潜力。文章亮点该综述深入探讨了用于细胞工程的粘弹性水凝胶设计与制备。首先介绍了水凝胶的粘弹性参数种类，包括储存模量、损耗模量、杨氏模量、应力松弛和蠕变等关键参数，并概述了这些特性的常用表征技术。接着，文章详细分析了不同构建方式和微环境条件如何影响水凝胶的粘弹性表现，特别关注了含有各种动态交联机制的粘弹性水凝胶的设计理念与合成策略。此外，作者回顾了一些文献中报道的用于细胞力学研究的粘弹性水凝胶案例，强调了这些材料在模拟天然细胞外基质方面的效果与意义。最后，文章深入探讨了两种粘弹性参数，机械强度和应力松弛特性的单独变化与协同变化对细胞行为和命运的调控，揭示了粘弹性材料研究对于开发下一代生物材料具有重要意义。鉴于粘弹性水凝胶在组织工程和生物医学领域展示出的巨大发展潜力，本综述旨在为相关领域的科研工作者提供宝贵的参考信息和理论支持，促进该领域的进一步发展和创新。图1. (a) 频率扫描测试下粘弹性水凝胶的储存（G '）和损失（G″）模量。(b) 时间扫描测试下粘弹性水凝胶的储存（G '）和损失（G″）模量。(c) 在应力松弛测试中施加恒定的应变。(d) 在蠕变测试中施加恒定应力总结/展望本文聚焦基于粘弹性水凝胶的设计与制备，深入探讨了两个核心粘弹性参数（机械强度和应力松弛）对细胞行为和命运的影响。此外，文章还剖析了当前水凝胶与细胞在力学交互领域面临的主要挑战：首先，如何严格地解耦水凝胶的粘弹性，以探究单一粘弹参数对细胞的诱导机制；其次，如何优化凝胶的设计，以确保粘弹性在长期生物应用过程中保持稳定或实现粘弹性的长期监测；最后，如何推动粘弹性参数测量方法的标准化，以便于不同研究团队之间的有效合作和数据交流，进而产出更加可靠和一致的研究成果。我们相信，随着材料科学、细胞生物学及生物医学工程领域的持续发展，文中提出的挑战将逐步得到克服。这不仅将推动粘弹性水凝胶技术的进步，还将极大地促进其在细胞生物学研究和临床医疗实践中的广泛应用，开启生物材料科学的新篇章。相关论文发表在Chem & Bio Engineering上，华东理工大学特聘副研究员李自远博士为文章的第一作者，张隽佶教授为通讯作者。通讯作者介绍张隽佶 教授张隽佶，华东理工大学化学与分子工程学院教授、博士生导师，国家优秀青年基金获得者。2012年博士毕业于华东理工大学应用化学专业，2017年国家留学基金委公派赴以色列希伯来大学进行访问学者研究工作。至今已发表论文70余篇，其中第一/通讯作者发表论文40余篇，包括J. Am. Chem. Soc.3篇，Nat. Commun.2篇，Angew. Chem. Int. Ed.2篇，CHEM1篇等，申请中国发明专利8项，著有光致变色染料专著1部（《Photochromic Materials: Preparation, Properties and Applications》，Wiley-VCH，2016年出版）。任中国化学快报（Chinese Chemical Letters）、《精细化工》、《化学学报》等期刊青年编委。扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文Chem Bio Eng. 2024, ASAPPublication Date: October 8, 2024https://doi.org/10.1021/cbe.4c00129  © 2024 The Authors. Co-published by Zhejiang University and American Chemical Society. 关于Chem & Bio EngineeringChem & Bio Engineering 旨在发表化学工程和生物工程领域的前沿科学。该期刊聚焦于催化、分离工程、生物医学、先进材料，合成生物学、智能制造，环境管理等重要领域的机遇与挑战，为发展高效可持续的工程方案提供高水平的国际学术交流平台。期刊涵盖多种类型文章，包括Research Article，Letter，Review，Perspective，Viewpoint，Commentary 和Editorial。· 2027年前投稿并被接收的文章免收文章出版费（APC）Copyright © 2024 American Chemical Society
来源： X-MOL 2024-11-05

高文霞/葛鹏金/何斌团队Biomacromolecules | 负载果胶微球的带负电温敏水凝胶重建粘膜屏障治疗溃疡性结肠炎

英文原题：Negatively Charged Thermosensitive Hydrogel Loaded with Pectin Microspheres to Recover the Mucosal Barrier for Ulcerative Colitis Therapy通讯作者： 高文霞（成都大学）；葛鹏金（成都百利多特生物药业）；何斌（四川大学）作者：Shuqi Chen, Wenxia Gao*, Pengjin Ge*, Shuhua Chang, Ting Wang, Quan Zhao, Bin He*溃疡性结肠炎（UC）是一种常见的慢性炎症性肠病，在全球范围内发病人数持续上升，特别是在发达的国家和地区发病率更高。UC的确切发病机制和病因目前尚不完全清楚，多数学者认为结肠炎的发生可能与细胞免疫异常有关，也有部分学者认为是由免疫因素、遗传因素、环境因素和感染因素共同作用的结果。UC严重影响人们的健康，降低生活质量，由于其长期发展导致持续的肠道粘膜损伤使患者增加结直肠癌的风险。口服药物治疗操作方便，但首过效应会降低药物的血药浓度，导致药物浓度过低。灌肠可增加溃疡处的药物浓度，但由于UC患者肠粘膜屏障被破坏，大多数灌肠制剂滞留在结肠的时间短，治疗效果有限，并且频繁的灌肠会降低患者的治疗依从性。因此，研发可在结肠溃疡处停留时间长的灌肠剂对UC的治疗有重要意义。成都大学药学院高文霞教授与成都百利多特生物药业葛鹏金博士和四川大学生物材料中心何斌教授团队合作设计制备了一种带负电荷的温敏载药水凝胶，通过重建肠粘膜屏障结合抗炎药物定点释放治疗溃疡性结肠炎。合成端基经琥珀酸酐改性的聚(ε-己内酯-乙交酯)-聚(乙二醇)-聚(ε-己内酯-乙交酯)三嵌段共聚物（SA-P），在其水溶液中混合UC治疗药物5-氨基水杨酸（5-ASA）和装载有姜黄素（Cur）的果胶（Pec）微球。将载有药物的负电性改性SA-P共聚物溶液作为灌肠剂，利用温敏性溶胶-凝胶转变形成水凝胶，与带正电的结肠溃疡创面通过静电作用覆盖在UC创面，模拟重建损伤的肠粘膜屏障，并实现药物在结肠溃疡创面的定点释放（图1）。图1. 用于UC治疗的负电荷温敏水凝胶示意图。负电荷温敏水凝胶的合成 (A)，载姜黄素的果胶微球 (B) 和负载药物的负电荷温敏水凝胶用于UC治疗 (C)。负电改性后的三嵌段共聚物溶液具有较宽的溶胶-凝胶转变温度范围，形成的水凝胶具有更高的模量，有利于UC的灌肠治疗（图2）。模拟肠粘膜屏障重建阻隔细菌的渗透，由于细菌表面普遍带负电荷，负电改性后的温敏水凝胶通过负电荷排斥作用可以有效阻止细菌的粘附，对大肠杆菌的屏障阻隔尤为明显（图3）。体内和体外水凝胶滞留实验表明，SA-P水凝胶对UC小鼠结肠有较好的优先粘附作用，滞留时间可长达6小时（图4）。在葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的UC小鼠模型中，5-ASA + Pec@Cur/SA-P组可以通过降低炎症反应，减轻中性粒细胞浸润程度，促进保护性粘液屏障的形成，从而大大促进UC小鼠症状的缓解。带负电荷的温敏水凝胶通过恢复粘膜屏障和抗炎症药物定点释放的双重作用展现出良好的UC治疗效果。图2. 三嵌段共聚物溶液的溶胶-凝胶转变。图3. 水凝胶的细菌屏障功能。图4. SA-P水凝胶体内滞留实验。图5. 不同组结肠组织白介素6 (IL-6) 和髓过氧化物酶 (MPO) 的免疫化学染色。该工作发表在Biomacromolecules 。文章第一作者为陈舒琪，通讯作者为成都大学高文霞教授、成都百利多特生物药业葛鹏金博士和四川大学何斌教授。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Negatively Charged Thermosensitive Hydrogel Loaded with Pectin Microspheres to Recover the Mucosal Barrier for Ulcerative Colitis TherapyShuqi Chen, Wenxia Gao*, Pengjin Ge*, Shuhua Chang, Ting Wang, Quan Zhao, Bin He*Biomacromolecules 2024, XXXX, XXX, XXX-XXXhttps://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c01019 Published September 23, 2024© 2024 American Chemical Society
来源： Biomacromolecules 2024-10-30

天津科技大学高萌&张正健ACS Mater Lett | 基于孔优化生物基气凝胶的气敏比色标签

英文原题：Pore-Refined Biobased Aerogel for Gas-Sensitive Intelligent Colorimetric Tags作者：Xiaosen Pan, Wanlong Song, Huanyu Qian, Guohua Zhang, Ruiming Liu, Xiaojuan Wang*, Fengbao Chen*, Meng Gao*, and Zhengjian Zhang能有效识别气体浓度并生成人类可识别信号的智能材料在环境监测、工业生产、食品包装和防伪材料等领域广受关注。其中，气体触发变色特性由于免去了复杂的信号调制和转换过程，表现出更大的吸引力。具有大比表面积和高孔隙率的多孔结构为气体提供了足够的存储空间、更多的吸附位点和可逆的分离特性，使其成为实现高性能气体传感的理想结构，其中，纤维素基气凝胶是合适候选者。此外，由于其天然来源，纤维素因其成本效益、生物降解性、生物相容性和食品安全等优势而受到研究目的的高度重视。然而，由于这些吸引人的特性，水升华过程中表面张力引起的较低强度和不规则的大孔限制了它们在制造耐用、灵敏和稳定的传感器方面的广泛应用和发展潜力。天津科技大学高萌/张正健团队选用亲水性聚乙烯醇（PVA）来增强纳米纤维素（CNF）网络的均匀性、比表面积以及结构强度；同时，从红萝卜中提取的花青素（Rr）被整合到体系中，以使复合气凝胶拥有pH激发的变色特性。关键成分 PVA 的添加对改善 CNF 气凝胶的多孔结构起着重要作用，可以归纳为以下三点：（1）亲水性 PVA 促进了凝胶体系均匀性，这对于孔隙分布和尺寸的均匀性是必要的。（2）CNF 与水分子之间的氢键相互作用转化为 CNF 与 PVA 之间的氢键相互作用，避免了水分子蒸发过程中 CNF 因牵引和拖拽引起的结构粘附。（3）PVA 和 CNF 之间的链式氢键提高了结晶度，从而赋予干燥的气凝胶更强的骨架结构，以便于更好地保留孔隙形态。该策略下，气凝胶比表面积增加了14.35倍，孔体积增加了21.24倍，气体吸附-解吸能力增加了16.91倍。此外，静态和动态压缩性能分别提高了5.20倍和5.59倍。气凝胶表现出对NH3气体的高灵敏度，能够在 100 至 10 ppm 的浓度范围内实现线性的颜色响应。不仅如此，气凝胶在不同温度和湿度下拥有颜色稳定性，并在多个循环中保持高可逆性。基于该气凝胶的智能标签被证明可在难以观测的肉类变质的临界点产生显著地颜色偏移（ΔE > 12），表明其在智能食品包装中的潜在应用前景。图1. CPR气敏气凝胶的合成示意图。图2. CNF、CR和CPR气凝胶的表征。图3. CPR比色气凝胶氨气传感性能。图4. CPR比色标签在肉类腐败监测中的应用。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Pore-Refined Biobased Aerogel for Gas Sensitive Intelligent Colorimetric TagsXiaosen Pan, Wanlong Song, Huanyu Qian, Guohua Zhang, Ruiming Liu, Xiaojuan Wang*, Fengbao Chen*, Meng Gao*, and Zhengjian ZhangACS Materials Lett. 2024, 6, 10, 4775-4782https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c01868 Published September 23, 2024© 2024 American Chemical Society作者简介潘啸森，天津科技大学硕士毕业生（现西安交通大学）。主要研究兴趣为纤维基传感材料及其表界面调控，以第一作者（含共同）于ACS Mater. Lett., Chem. Eng. J., Langmuir等SCI期刊发表论文6篇，其中ESI前0.1%热点论文&前1%高被引论文1篇，申请国家发明专利2项。高萌，博士，副教授，硕士生导师。研究方向包括生物质电子及柔性印刷电子。博士毕业于中国科学院化学研究，后在美国加州大学洛杉矶分校进行博士后研究。以第一/通讯作者在Matter, Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano Energy等期刊上发表研究文章，研究成果被MIT Technology Review、Materials Views等国际媒体亮点报道。以第一申请人申请发明专利9项，授权专利4项。主持国家及省级科研项目6项。王晓娟，天津科技大学博士研究生。主要研究方向为生物质柔性电子器件，以第一作者和通讯作者（含共同）于ACS Mater. Lett., Carbohydr. Polym., ACS Appl. Nano Mater., Cellulose等SCI期刊发表论文6篇，申请国家专利4项，主持省级项目2项，结题1项。张正健，博士，教授，博士生导师。主要从事纤维素基功能材料、UV光固材料和纳米智能材料方面的研究。主持科研项自20场其中省部级项目6项、横向项目14项。发表科研论文40余篇，SCI收录10篇，申请国家发明专利20余项，其中授权5项，转让1项。（本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Materials Letters 2024-10-25

JPCC | 基于单分子针尖增强拉曼光谱的局域场梯度实空间成像

英文原题：Exploring the Spatial Distribution of Local Field Gradients by Tip-Enhanced Raman Mapping of a Single-Molecule Probe通讯作者：董振超，中国科学技术大学  合肥微尺度物质科学国家研究中心张尧，中国科学技术大学  合肥微尺度物质科学国家研究中心作者：Zi-Xi Tang (唐子翕)背景介绍在针尖增强拉曼光谱（Tip-Enhanced Raman Spectroscopy, TERS）研究中，通过将局域场限域在亚纳米尺度，可以实现对单个分子化学结构的高分辨实空间表征。由于此时局域场的梯度效应及其它高阶过程会显著影响光谱特征，因此探究局域场场梯度的空间分布对于理解局域场的微观作用机制至关重要。图1 . 利用单分子探针对局域场梯度进行实空间测量的艺术化示意图文章亮点近日，中国科学技术大学的董振超教授、张尧教授研究团队在JPCC上发表了基于单分子针尖增强拉曼光谱的局域场梯度实空间成像研究。通过利用单分子作为探针，基于对其不同对称性振动模式在局域场下的拉曼极化响应过程的差异，实现了对局域场及其场梯度空间分布的实空间成像表征，并探究了不同针尖形貌对局域场及其场梯度空间分布的影响（图1）。图2 . 利用单个ZnPc分子探针的偶极拉曼和四极拉曼信号研究局域场电场及其场梯度空间分布一般而言，对于处在局域场中的单个分子，其拉曼散射过程可由偶极-偶极极化率α来描述，反映了分子对于局域电场的极化响应。但是，随着局域电场的空间限域性逐渐提高，相应的场梯度也会显著增强，因此分子对于场梯度的极化响应（由偶极-四极极化率A描述）在描述单分子拉曼散射过程中也是不可忽视的。研究团队以吸附在Ag(100)表面的单个ZnPc作为分子探针，分别模拟了其对局域电场的偶极拉曼响应和对场梯度的四极拉曼响应过程（图2）。研究发现，当分子尺寸远小于局域场空间分布时，分子可视为一个点偶极，其A2u振动模式对应的偶极拉曼空间分布与局域场分布非常相似，均呈现中心亮的特征；而Eg振动模式对应的四级拉曼分布则与场梯度分布相似，呈环状分布的特征。通过对比可以发现，在考虑了激发增强与辐射增强过程对拉曼成像的影响后，偶极拉曼的强度近似正比于|Ez|4，而四极拉曼的强度近似正比于|Ez|2×|∂Ez/∂r|2。随着电场及场梯度局域性不断提高，对应的实空间成像分布也越来越局域。特别是当分子尺寸与局域场分布范围大小相当时，分子化学结构的特征会对拉曼实空间分布产生影响。图3 . CO@Ag100作为分子探针研究局域场电场及其场梯度空间分布为了减少分子化学结构对场空间分布信息提取的影响，实现对限域性更强的局域电场及场梯度的实空间测量，研究团队进一步采用吸附在Ag(100)表面的单个CO分子作为新的探针，分别选取Ag−CO 伸缩模式和FR振动模式作为偶极拉曼和四级拉曼实空间成像的两个特征模式。由于吸附的CO分子尺寸很小且在表面呈直立吸附构型，因此可以对空间限域在在0.1 nm左右的局域场及其场梯度，也能实现很好的实空间成像表征（图3）。为了进一步验证该方法的普适性，研究团队还设计了具有不同几何形状的针尖尖端，发现当针尖尖端的形貌发生变化时，偶极（或四级）拉曼的空间分布也会相应变化，呈现出与局域场（或场梯度）相似的空间分布特征。总结与展望研究团队利用分子探针的针尖增强拉曼光谱成像，实现了对局域场及场梯度空间分布的实空间表征。研究发现，当分子尺寸远小于局域场分布时，偶极（或四级）拉曼的空间分布与局域场（或场梯度）的空分布特征非常相似，通过选择更小尺寸的CO分子，可以实现对空间限域在在0.1 nm左右的局域场及其场梯度进行研究。本文提供了在亚纳米尺度上探测局域场梯度空间分布的一种新方法，对研究纳米光学中的高空间分辨率歧义及其非线性过程提供了科学基础。相关论文发表在JPCC上，中国科学技术大学博士研究生唐子翕为文章的第一作者，董振超教授、张尧教授为通讯作者。通讯作者信息董振超  讲席教授董振超，中国科学技术大学讲席教授、博士生导师。科技部国家重点研发计划和基金委重大重点等多个项目、课题的负责人。长期致力于单分子光电效应和纳米光学成像的前沿基础研究，特别是研制将高分辨扫描隧道显微镜与高灵敏单光子检测光学技术相融合的联用系统，在单分子拉曼散射、单分子发光、单分子尺度能量转移、以及纳米等离激元光子学等方面取得了令人瞩目的标志性成果。已在包括Nature (2篇)、Nature Photonics (2篇)、Nature Nanotechnology (2篇)、Science (1篇)等国内外重要学术刊物上发表论文180余篇。曾获得中国科协“全国优秀科技工作者”荣誉称号（2010）、中国科学院杰出科技成就奖（主要完成人，2014）、国务院“政府特殊津贴”荣誉证书（2016）、中国真空学会中国真空科技成就奖（2018），5次获得中科院优秀导师奖。亚纳米分辨的单分子拉曼成像成果入选2013年度“中国科学十大进展”以及两院院士评选的“中国十大科技进展新闻”。亚纳米分辨的单分子光致荧光成像成果入选2020年度“中国光学十大进展”。张尧 特任教授张尧，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心特任教授，博士生导师。2019年入选国家创新人才计划青年项目。主要研究领域为单分子纳米光学，特别是在亚纳米尺度下对单分子与纳腔等离激元之间的相互作用机制进行研究。相关成果以第一获通讯作者身份发表在Nature、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Natl. Sci. Rev.上，并与他人合作在Science, Nat. Nanotech.，Nat. Photonics、Phys. Rev. Lett.、Angew. Chem.等期刊上发表论文合计50余篇，累计引用4700余次。曾获得“第八届全国青少年科技创新奖”、“中科院优秀博士论文”、“中科院院长特别奖”等。课题组主页链接：https://team.ustc.edu.cn/smog/en/index.htm 扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文J. Phys. Chem. C 2024, 128, 38, 15985–15994Publication Date: September 17, 2024https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c03631 © 2024 American Chemical SocietyEditor-in-ChiefJoan-Emma SheaUniversity of California Santa BarbaraDeputy EditorGreg V. HartlandUniversity of Notre DameThe Journal of Physical Chemistry C 发表关于纳米、低维和块状材料物理化学的实验、理论和计算研究；界面的化学转化；以及能源转换和储存。2-Year Impact FactorCiteScoreTime to First Peer Review Decision3.36.534.7
来源： The Journal of Physical Chemistry C 2024-10-24

上海科技大学胡培君教授团队 Precision Chem. | 机器学习用于多相催化中活性位点的原位搜索

英文原题：Leveraging Machine Learning Potentials for In-situ Searching of Active sites in Heterogeneous Catalysis通讯作者：谢闻博，上海科技大学；胡培君，上海科技大学作者：Xiran Cheng (程夕冉), Chenyu Wu (吴晨宇), Jiayan Xu (许嘉琰), Yulan Han (韩玉兰), Wenbo Xie (谢闻博), P. Hu (胡培君)研究背景图1. 机器学习势函数的构建及其在催化研究中的应用多相催化在现代化学工业中扮演着重要角色，是生产燃料、塑料、药品和其他化学品的基础。越来越多的研究表明，催化过程中真正的活性位点往往是在原位条件下形成的，然而，由于当前实验表征技术难以在高温高压的反应条件下进行精确观测，催化过程中活性位点的识别仍然存在较大挑战。近年来，量化计算在理解催化剂活性位点方面取得了显著进展，但理论与实验之间的复杂性差异仍然存在。这种差异主要源于催化体系的动态特性以及催化剂表面在反应条件下可能发生的结构重构。密度泛函理论（DFT）是研究原子尺度催化机理的常用工具，尽管DFT在计算效率和准确性方面取得了良好的平衡，但在处理大体系或长时间动力学模拟时，仍然受制于计算资源。为应对这一挑战，机器学习在原子尺度模拟领域的最新进展提供了一种具有前景的解决方案。其中机器学习势函数（MLPs）在多相催化中展示出了巨大的潜力。MLPs的构建基于利用神经网络拟合原子的结构信息与高精度第一性原理计算数据（例如能量和力）之间的关系，为目标催化体系的能量和力提供高效且准确的预测方法。与DFT相比，势函数的计算速度大大提高。这种效率的提升可以实现对催化剂结构的全局优化和搜索，进而能够追踪催化剂稳定表面结构的演变。通过将找到的原位条件下的最优结构与DFT计算、AIMD和微观动力学方法相结合，可以更准确地定位其活性位点并评估催化剂性能。该方法为探索催化体系的结构与功能关系提供了强大的工具。文章亮点近日，上海科技大学胡培君教授和谢闻博助理研究员团队在 Precision Chemistry 上发表了关于利用机器学习势函数探究原位条件下多相催化体系的活性位点的综述文章（Review）。该综述系统性总结了近年来机器学习在多相催化领域的技术突破，从原子间势函数的基本原理、机器学习模型的发展历程到势函数的训练策略进行了深入阐述。同时，文章详细介绍了用于复杂催化剂结构搜索的全局优化方法，并通过多个典型的多相催化反应体系展示了机器学习势函数在定位反应活性位点方面的巨大潜力。最后，综述还分析了当前机器学习势函数方法所面临的挑战及未来值得关注的发展方向。综述文章回顾了机器学习势函数的发展历程，系统地介绍了原子间势函数的基础原理和训练方法，并着重分析了BPNN、Deep Potential以及EANN等几种常用的机器学习势函数模型。此外，文章还介绍了基于主动学习的势函数训练策略，通过从现有数据和新生成的数据中不断学习，使机器学习势函数针对特定催化体系进行优化迭代，从而达到更高的预测精度。图2. 势函数的神经网络架构图3. SSW-NN方法和LASP软件架构高精度机器学习势函数的出现，使全局优化算法能够更高效地应用于复杂势能面的全局最小值搜索，找到体系的最稳定结构。对于反应条件下发生的复杂催化反应，可以通过设定初始结构范围，采用并行全局优化计算方法，对不同原子数的稳定结构进行筛选，最终基于热力学稳定性判别最优结构。文章详细介绍了相关的全局优化算法及其在结构搜索中的应用，包括基于全局势能面探索的随机表面行走（SSW）方法、遗传算法（GAs）、巨正则遗传算法（GCGA）以及巨正则蒙特卡洛（GCMC）方法。在确定稳定结构后，还可以结合DFT、微观动力学模型等方法，对活性位点进行进一步甄别和优化。文章通过多个经典的多相催化反应体系作为例子，展示了整套方法论的实际应用，包括Pt表面的氧化反应、ZnCrO催化的合成气反应、FeC催化的费托合成反应等。这些案例验证了该方法在寻找原位条件下活性位点的有效性。图4.  (a) 基于势函数的GCMC方法生成的Pt催化剂表面结构；(b)和(c) Cr4.2%OV0.33 和 Cr4.2%OV0.67 的ZnO的吸附和解离能量变化总结/展望本文综述了机器学习势函数的基本原理，包括理论基础、训练策略、实施方法，以及它们在预测催化剂结构中的应用，特别聚焦在多相催化领域中寻找反应活性位点的最新研究进展。机器学习势函数的应用显著提升了我们对催化剂表面结构在反应条件下的变化、活性位点的理解，显示了该方法在解构复杂反应体系的巨大潜力。然而该领域仍然存在着许多困难和挑战，克服这些问题将是机器学习势函数在多相催化未来的主要发展趋势。我们认为当前的主要一个重要挑战是数据集。首先是成本问题，对于多元素复杂催化体系，获取足够多具代表性的数据点的计算成本依然高昂，然后是数据利用问题，现在多相催化领域缺乏统一计算精度的公共数据库支持，数据集的可复用性较差，目前大多还停留在针对单个体系建立特定的MLP，缺乏通用性解决方案。另外值得一提的是，虽然本文主要是介绍通过理论数据训练模型，但在在催化领域，机器学习还可以通过纯实验数据进行模型训练。每种方法都有其特有的挑战：实验数据更真实，但是数据点有限，且多集中于成功的实验案例；而计算数据虽然能够提供更广泛和丰富的化学空间信息，但存在过度简化的问题。随着新模型、数据库和训练策略的迅速发展，我们可以预见一个混合框架的出现，其中机器学习势函数首先作为预训练模型，然后通过实验数据进行微调，以加速发现具有高活性和选择性的新型催化剂。通讯作者信息谢闻博 助理研究员谢闻博，上海科技大学物质学院助理研究员，本科毕业于美国佐治亚大学，于英国贝尔法斯特女王大学胡培君教授课题组获得博士学位，2023年加入上海科技大学。主要研究方向为微观动力学模拟和机器学习势函数在多相催化中的应用。第一作者及共同一作发表 SCI 论文 7 篇，包括:Acc. Chem. Res.、JACS Au、ACS Catal.、 Energy Environ. Sci.、J. Catal.等。胡培君 教授胡培君，上海科技大学物质学院教授，博士生导师，爱尔兰皇家院士， 国际知名理论催化专家。1982 年毕业于华东理工大学，1993 年获英国剑桥大学博士学位，1995 年加入英国贝尔法斯特女王大学，2004 年升任教授，2023 年 2 月全职加入上海科技大学物质学院。主要研究领域包括物理化学、理论与计算催化、人工智能在催化与材料中的运用等。为多相催化反应微观基础理论的发展做出了重大贡献，是国际理论催化领域具有重要影响的学术带头人之一。在国际重要学术刊物上发表研究文章 300 多 篇，其中包括 11 篇 Nature 及子刊，21 篇 J. Am. Chem. Soc.，11 篇 Angew. Chem. Int. Ed.，4 篇 Phys. Rev. Lett.，H 因子为 92。扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文Precis. Chem. 2024Publication Date: September 11, 2024https://doi.org/10.1021/prechem.4c00051 © 2024 The Authors. Co-published by University of Science and Technology of China and American Chemical Society关于 Precision ChemistryPrecision Chemistry 将发表化学及交叉领域中以精准化为导向的高水平的具有重要意义和吸引广泛兴趣的原创研究，包括但不限于计算、设计、合成、表征、应用等方面的前沿性研究成果，将秉承尊重科学、兼容并包的态度，为全球科研人员提供高质量的、开放的学术交流平台，服务于广大的化学和科学界。期刊将发表原创论文、快报、综述、展望、以及多样化的短篇社评。2025年12月31日前投稿的文章免收文章出版费（APC）Precision Chemistry目前已被ESCI, Scopus，DOAJ，CAS 等数据库收录，并入选2023年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊。所有的稿件都将经过严格的、公平的、高效的同行评审，我们致力于以期刊的文章质量赢得读者的信任。如有任何疑问，请发送电子邮件至eic@pc.acs.org。点击“阅读原文”
来源： Precision Chemistry 2024-10-22

JPCL 展望｜非绝热分子动力学模拟分析中的无监督机器学习

英文原题：Unsupervised Machine Learning in the Analysis of Nonadiabatic Molecular Dynamics Simulation通讯作者：兰峥岗，华南师范大学作者： Yifei Zhu (祝逸飞), Jiawei Peng (彭佳伟)，Chao Xu  (徐超)，Zhenggang Lan (兰峥岗)背景介绍该展望探讨了机器学习（ML）在非绝热分子动力学模拟（NAMD）分析中的应用，尤其关注如何利无监督ML方法分析NAMD模拟数据。NAMD模拟在理解光诱导反应通道和复杂分子的激发态运动方面具有重要意义。然而，将这类模拟应用于复杂真实体系，会产生大量高维数据，给结果分析带来了挑战。文章详细讨论了无监督ML方法的选择、分子描述符的构建以及分析框架的建立，并探讨了其优势、局限性及现存的挑战。图1. 无监督机器学习应用于非绝热分子动力学模拟展望亮点近日，华南师范大学兰峥岗教授在JPC Letters上发表了上聚焦于将无监督机器学习应用于非绝热分子动力学模拟分析的展望文章。文章系统讨论了如何通过降维与聚类等无监督机器学习方法，实现复杂非绝热动力学模拟轨迹数据的自动化分析。文章详细探讨了常用降维与聚类算法的优势、劣势及适用场景，并深入分析了不同描述符在该应用场景下的构建与选择。图2. 针对不同类型数据分布的降维算法的示意图图3. 三种代表性聚类方法此外，文章还综述了近年来该领域的相关研究的最新成果。最终，文章总结提出了针对单通道和多通道非绝热过程的分析框架，强调通过合理构建分子描述符并选择合适的机器学习方法分析基于轨迹的非绝热动力学，可以成功识别光诱导反应中的关键分子运动。图4. 利用无监督机器学习方法分析基于轨线的非绝热分子动力学模拟的分析框架总结与展望该展望文章全面总结了无监督机器学习在非绝热分子动力学模拟分析领域的最新发展，深入探讨了当前技术的应用现状与挑战。文章不仅系统回顾了这一领域的关键研究成果，还对研究中关键机器学习方法的优势、劣势及其适用性进行了详细评估。通过对未来发展方向的展望，文章为该领域的进一步研究提供了宝贵的视角和指导，推动着无监督机器学习在复杂分子运动与光诱导反应的深入理解中发挥更为重要的作用。这一工作为非绝热动力学分析研究的未来发展提供了有益的借鉴，也为相关领域的科研工作者在这一方向上的探索提供了新的思路。相关论文发表在JPC Letters上，华南师范大学博士研究生祝逸飞为文章的第一作者， 兰峥岗教授为通讯作者。通讯作者信息兰峥岗 研究员兰峥岗，研究员，博士生导师，中科院“百人计划”入选者，山东省杰出青年基金获得者。长期致力于理论与计算化学领域的研究，包括化学动力学、量子化学、多尺度模拟、机器学习等模拟方法发展，以及理论计算化学在环境、材料、生物等学科中的应用。主持多项国家自然科学基金项目，包括重点项目、国际（地区）合作与交流项目、面上项目等。迄今已发表SCI论文120余篇，研究成果受到了国际学术界的广泛关注和认可。课题组主页 http://langroup.site/  。扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文J. Phys. Chem. Lett. 2024, 15, 38, 9601–9619Publication Date: September 13, 2024https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.4c01751 © 2024 American Chemical SocietyEditor-in-ChiefGregory D. ScholesPrinceton UniversityThe Journal of Physical Chemistry Letters 致力于报道物理化学家、生物物理化学家、化学物理学家、物理学家、材料科学家和工程师感兴趣的新的和原创的实验和理论基础研究。2-Year Impact FactorCiteScoreTime to First Peer Review Decision4.89.621.7
来源： X-MOL 2024-10-17

常州大学王亚飞等ACS Mater Lett | HLCT发光材料作为激基复合物受体实现高效率、超低滚降的溶液加工OLED

英文原题：New Concept for HLCT Emitter: Acceptor Molecule in Exciplex System for Highly Efficient and Extremely Low-Efficiency Roll-Off Solution-Processed OLED通讯作者：王亚飞（常州大学）；Jun Yeob Lee（成均馆大学）作者：Yixiao Yin, Yinyan Wu, Binghong He, Zekun Xia, Weiguo Zhu, Jun Yeob Lee*, and Yafei Wang*热激活延迟荧光 (TADF) 材料因其100% 理论内量子效率 (IQE) 和纯有机分子结构等优势被誉为第三代有机电致发光材料。与传统的单分子 TADF 材料相比，激基复合物体系 (exciplex) TADF材料具有内在的单三线态能隙差小、可通过供体分子和受体分子简单的物理混合等特点，因此受到科研人员的广泛关注。目前，构筑激基复合物体系的给、受体分子大多为荧光材料，其仅能利用25%的单线态激子；同时，激基复合物体系还存在非辐射跃迁速率大、发光效率低等问题。因此开发具有高发光效率的exciplex体系及其溶液加工OLED具有重要的研究意义。最近，该研究小组首次报道了基于杂化局域-电荷转移 (HLCT) 受体分子的激基复合物体系，其在溶液加工OLED 中表现出非常高的器件性能和较低的效率滚降 (Adv. Mater., 2024, 36, 2313656)。该结果表明高位的反系间窜跃过程 (hRISC) 在exciplex体系中起着积极作用，从而为 HLCT 材料的应用开辟了新的途径。因此系统研究exciplex中 HLCT 材料的结构-性能关系对开发新型高效的激基复合物TADF材料具有重要的指导意义。为了进一步探讨激基复合物体系中受体分子的结构-性能关系，本论文报道了两种新型的 HLCT化合物 2-tBuspoCz-2pTRZ 和 2-tBuspoCz-Me3pTRZ。与前期报道的 2-tBuspoCz-Trz 相比，作者通过调节给体和受体片段之间的连接π桥来改变2-tBuspoCz-2pTRZ 和 2-tBuspoCz-Me3pTRZ 的扭曲度，进而改变激基复合物体系中给受体分子的相互作用距离，从而实现exciplex体系的高性能发光。图1. a) 热激子材料的发光机理、应用和新策略; b) 高效热激子材料的分子修饰策略和分子结构如图2a 所示，两个 HLCT 分子与 4,4'-环己基亚二 [N, N-双(对甲苯基)苯胺] (TAPC) 均可形成有效的exciplex发光。低温荧光-磷光光谱和时间分辨光谱表明这两种激基复合物体系具有明显的TADF性能；并且，激基复合物体系2-tBuspoCz-2pTRZ:TAPC 和 2-tBuspoCz-Me3pTRZ:TAPC 具有较快的反向系间窜越速率 (kRISC)，在300 K下分别为 3.00 × 106 和 3.06 × 106 s-1。与 2-tBuspoCz-2pTRZ:TAPC 相比，2-tBuspoCz-Me3pTRZ:TAPC 表现出更小的非辐射衰减速率，因而呈现更高的 PLQY (100.0%)。图2. a) 激发波长为 370 nm 的薄膜中 2-tBuspoCz-2pTRZ、2-tBuspoCz-Me3pTRZ、TAPC 和激基复合物体系 (重量比 = 2:8) 的 PL 光谱; b) 激发波长为 370 nm 的薄膜中激基复合物体系的 LT Fl 和 Ph 光谱; c) 2-tBuspoCz-Me3pTRZ:TAPC 的延迟和温度依赖性瞬态 PL 衰减曲线; d) 在 77 K 至 300 K 的温度范围内，2-tBuspoCz-2pTRZ:TAPC 和 2-tBuspoCz-Me3pTrz:TAPC 的 kRISC 和延迟分量比例与温度的相关曲线为了评估激基复合物体系的电致发光 (EL) 性能，作者分别将激基复合物体系作为发光层材料和主体材料，制备了相应的溶液加工器件，器件结构与相关EL性能如图3所示。值得注意的是，基于 2-tBuspoCz-Me3pTRZ:TAPC 为主体材料的溶液加工器件实现了极低的驱动电压 (2.6-2.8 V) 和 22.7% 的最大外量子效率 (EQEmax)；并且，器件在 1,000 cd m-2 时仍保持了较高的EQE值，其效率滚降速率约为0.5%。图3. 基于 exciplex 器件的 EL 性能。a) 最大亮度的EL 光谱 (插图) 和 EQE-亮度曲线 (比率为 2:8); b) 电流密度-电压-亮度曲线 (比率为 2:8); c) 两 激基复合物体系和已报道的以激基复合物体系为发光层的溶液加工器件的三维图，及其三个坐标含义：波长 (λ)、反向系间窜跃 的速率常数 (kRISC) 和PLQY。基于 exciplex 为主体材料器件的 EL 性能。d) OLED 器件结构示意图; e-f) 最大亮度下的 EL 光谱; g-h) EQE-亮度曲线; i) 在 1,000 cd m-2 时的效率滚降总结/展望本文通过修饰分子几何构型，制备了两类HLCT发光分子2-tBuspoCz-2pTRZ 和 2-tBuspoCz-Me3pTRZ，并将其引入激基复合物体系中。化合物2-tBuspoCz-2pTRZ或 2-tBuspoCz-Me3pTRZ 和 TAPC 分子可形成有效的激基复合物体系。其中2-tBuspoCz-Me3pTRZ:TPAC 获得了极小的 ∆EST 和100% 发光效率。通过溶液加工法制备了系列电致发光器件，其中以exciplex为发光层时，器件实现了 16.6% 的 EQEmax；当以exciplex为主体材料时，溶液加工器件实现了超过20%的EQEmax和极低的效率滚降 (约为0.5%)。这项研究为开发新型的exciplex体系，实现高效率激基复合物体系的溶液加工器件提供了新的策略。相关论文发表在期刊ACS Materials Letters 上，常州大学硕士研究生银一笑为文章第一作者，常州大学王亚飞教授和成均馆大学Jun Yeob Lee教授为通讯作者。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：New Concept for HLCT Emitter: Acceptor Molecule in Exciplex System for Highly Efficient and Extremely Low-Efficiency Roll-Off Solution-Processed OLEDYixiao Yin, Yinyan Wu, Binghong He, Zekun Xia, Weiguo Zhu, Jun Yeob Lee*, Yafei Wang*ACS Materials Lett. 2024, 6, 10, 4738–4747https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c01643 Published September 19, 2024© 2024 American Chemical Society（本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Materials Letters 2024-10-16

清华大学李景虹院士团队Precision Chemistry | 单分子生物电学传感器与人工智能辅助数据分析的融合与挑战

英文原题：Single-Molecule Bioelectronic Sensors with AI-Aided Data Analysis: Convergence and Challenges通讯作者：唐龙华，浙江大学；李景虹，清华大学作者： Yang Yuxin (杨雨欣), Li Yueqi (李玥琪) 注：本文已被选为封面文章，以上列出封面非最终刊出版本研究背景单分子生物电学传感技术的快速发展正在推动我们对基本物质世界和生物系统的深入认知，这项技术使我们能够以前所未有的精度探索蛋白质、核酸等生物分子的电学特性，从而从宏观系统之外的角度，更全面地理解它们的结构、功能和相互作用。多年来，在开发具有高灵敏度和时空分辨率的传感器件方面取得了显著进展，例如基于纳米间隙电极的隧穿传感器、纳米孔传感器和单分子场效应晶体管。通过分析这些传感器产生的电学信号，可以推知所测量分子的相关信息。然而，这一过程往往富有挑战。一方面，这些信号来源于高采样率的测量过程，数据量庞大。另一方面，单分子信号通常较为微弱，背景噪声的叠加使得信号往往具有较低的信噪比。此外，由于单分子行为的随机性，单分子信号呈现出复杂的动态变换，对各种信号形式与对应分子行为间关联的认知不足也增加了信号解释的难度。人工智能（AI）算法在处理分析大批量复杂数据方面表现出优异的性能，为解决单分子电学传感信号分析的挑战提供了可行路径。AI算法通过高效提取信号特征并高准确度区分信号间的差异，极大地提高了数据分析的效率，并可通过大数据量仿真预测来优化传感器的设计及其性能，提高了单分子测量的可靠性。本综述探究了单分子生物电学传感器和AI的集成，旨在阐明AI算法如何促进单分子生物电学传感技术的发展，以及目前面临的挑战和潜在的应用前景。文章亮点近日，浙江大学唐龙华教授和清华大学李景虹院士团队在 Precision Chemistry上发表了单分子生物电学传感器与人工智能辅助数据分析的融合与挑战综述。聚焦于人工智能（AI）与单分子生物电学传感器的集成，探讨了这一前沿领域的发展现状、面临的挑战以及未来的应用前景。单分子生物电学传感技术的核心在于构建纳米尺度的受限区域，以捕捉单个生物分子的微小变化，并将其呈现为电学信号形式。基于纳米间隙电极的隧穿传感器，如扫描隧道显微镜（STM）（图1a）和固定纳米间隙器件（图1b）利用隧穿效应实现对分子电学特性的检测。纳米孔传感器包括生物纳米孔（图1c）和固态纳米孔（图1d），通过监测离子电流波动可以揭示有关分子尺寸、形状和电荷特性的信息。此外，单分子场效应晶体管（图1e）通过测量纳米线或纳米管中的电导变化来检测分子相互作用。对于电化学活性分析物，通过将其与外部电子电路集成，可以利用相关的氧化还原反应产生可测量的电流。（图1f）图1. 单分子生物电学传感器以及它们所产生的电学传感信号（a）基于STM的隧穿传感器（b）基于固定纳米间隙电极的隧穿传感器（c）生物纳米孔传感器（d）固态纳米孔传感器（e）单分子场效应晶体管（f）基于电化学活性分子的传感器对单分子生物电学传感信号的全面而准确的理解是单分子研究的关键方面，然而这些信号通常具有较高的复杂性，为数据处理和分析带来较大的挑战。人工智能（AI）模拟人类的学习过程，构建出可增强推理和决策的高级算法模型，以应对复杂问题情境。机器学习、深度学习等AI技术已被广泛应用于单分子生物电学传感信号的处理与分析中，有效解决了数据分析的困难。AI算法在处理高维度的复杂数据方面展现出卓越的能力，并对数据中的噪声具有良好的鲁棒性，以一个更为全面且细致的角度来解析信号特征，从而能够高效提取单分子生物电学传感信号中的关键信息，并且能够以极高的准确性区分不同分子信号之间的微小差异。图2. 基于AI算法的信号特征提取和分子识别此外，AI算法通过保留关键特征可快速实现降噪及信号增强，可有效改善数据质量。基于AI算法的仿真模型从理论层面进行深入的推导和预测，并在海量的数据中寻找最优解，不仅可以为实际检测结果提供补充见解，还能帮助改进传感器设计，从而提高测量器件的精度和稳定性。图3. 基于AI算法的信号增强及建模仿真单分子生物电学传感技术在生物学和医学等领域展现出巨大的应用潜力，为深入研究单个生物分子的动态变化过程提供了可能。AI算法的集成则进一步增强了这一技术的优势，通过高效的数据处理，实现了更高的灵敏度和精确度。单分子生物电学传感技术的发展使得快速、高通量的单分子测序成为可能，通过检测单个DNA、RNA乃至多肽、蛋白质分子的电学信号，极大地推动了生命科学研究的进步。AI算法的集成进一步提升了这一技术的潜力，能够有效处理复杂且海量的测序数据，快速解码序列信息。图4. AI集成的单分子生物电学传感器用于测序单分子生物电学传感器通过在分子水平上直接对生物系统进行探测，能够及时准确地对微量分子标志物进行检测和量化。这种高灵敏度的检测方法对于增强早期疾病诊断及环境监测能力等具有重要意义。通过直接检测单个分子，单分子生物电学传感器能够提供比传统检测方法更为精确的数据，从而有助于提高疾病诊断的准确性，并能够监测到环境中的微量有害物质，为环境保护和公共健康提供支持。图5. AI集成的单分子生物电学传感器用于微量分子探测此外，单分子生物电学传感器以其极高的时间分辨率，能够实时监测分子动态变化，为生物体内酶等分子的作用机制的研究提供了有效的工具。同时，通过捕捉分子间结合与相互作用的过程，单分子生物电学传感技术在药物筛选及研发领域也展现出极大的潜力，有助于促进高通量的药物筛选，加速新药的研发过程。图6. AI集成的单分子生物电学传感器用于实时监测分子相互作用总结/展望单分子生物电学传感与人工智能（AI）技术的融合，为我们探索微观世界提供了新的视角。本文概述了AI集成的单分子生物电学传感技术的基本原理和最新进展。AI算法极大提高了信号分析的效率， 并可优化传感器设计，提升了器件性能。AI集成的单分子生物电学传感技术提供了单分子测序、低丰度探测和实时动态监测的能力，在生物学、医学等多种领域的研究中展现出了巨大的应用潜力。未来，随着单分子生物电学传感器和AI算法的协同优化，其潜能有望进一步释放。这需要单分子生物电学传感器的不断改进，以提高其稳定性。同时，AI算法如何充分挖掘传感信号中可能被忽视的丰富信息也值得深入研究。为了增强模型泛化能力，必须评估它们在各种场景中的适应性。公开可用的数据集有助于促进通用算法的发展。总之，AI与单分子生物电学传感技术的融合既提供了新的机遇，也仍然面临一定的挑战。通过不断改进传感器和AI算法，我们可以进一步提升揭开分子世界奥秘的可能性，促进对生物系统的理解和新型分子电子学应用的开发。相关论文发表在以精准为导向的高质量期刊Precision Chemistry上，浙江大学硕士研究生杨雨欣为文章的第一作者，中国科技大学李玥琪教授为共同作者，浙江大学唐龙华教授和清华大学李景虹教授为通讯作者。通讯作者信息 唐龙华 教授浙江大学光电科学与工程学院教授、光电工程研究所副所长浙江大学医学院附属第二医院兼聘教授2013年博士毕业于清华大学；2013－2015，浙江大学光电科学与工程学院，特聘副研究员；2016至2023，副教授；2023年12月起聘为教授。曾在美国伊利诺伊香槟分校、英国帝国理工学院访问交流。长期围绕生物分子光电测量技术与仪器开展研究工作，迄今以通讯或一作身份在Science Advances、Nature Communications、Nature Protocols、Chemical Society Reviews等国际知名术期刊发表SCI论文50余篇；论文总被引10000余次，单篇最高他引1000+次（google scholar）。作为项目负责人主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、国家重点研发计划等各类科研项目10余项；曾于2013年荣获教育部自然科学一等奖（4/7），2015年荣获国家自然科学二等奖（5/5），2021年获得浙江省杰出青年基金项目资助，2022年获得国家级青年人才项目资助。课题组主页：https://person.zju.edu.cn/lhtang 李景虹 院士中国科学院院士、新基石研究员、清华大学化学系教授化学系学术委员会主任，清华大学分析中心主任近年来致力于分析化学、化学生物学、纳米化学、能源化学等领域的教学科研工作。以通讯作者在Science、Nat. Mater.、 Nat. Nanotech.、 Nat.  Biomed. Eng.、Nat. Protoc.等学术刊物上发表SCI论文500余篇。2014-2023年连续入选汤森路透全球高被引科学家。以第一完成人获国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖、北京自然科学一等奖、中国分析测试协会科学技术一等奖等。任Chemical Society Reviews、ACS Sensors、Biosensors Bioelectronics、eScience、Fundamental Research、ChemRxiv 等二十余种国际期刊副主编和编委。扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文Precis. Chem. 2024Publication Date: September 16, 2024https://doi.org/10.1021/prechem.4c00048 © 2024 The Authors. Co-published by University of Science and Technology of China and American Chemical Society关于 Precision ChemistryPrecision Chemistry 将发表化学及交叉领域中以精准化为导向的高水平的具有重要意义和吸引广泛兴趣的原创研究，包括但不限于计算、设计、合成、表征、应用等方面的前沿性研究成果，将秉承尊重科学、兼容并包的态度，为全球科研人员提供高质量的、开放的学术交流平台，服务于广大的化学和科学界。期刊将发表原创论文、快报、综述、展望、以及多样化的短篇社评。2025年12月31日前投稿的文章免收文章出版费（APC）Precision Chemistry目前已被ESCI, Scopus，DOAJ，CAS 等数据库收录，并入选2023年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊。所有的稿件都将经过严格的、公平的、高效的同行评审，我们致力于以期刊的文章质量赢得读者的信任。如有任何疑问，请发送电子邮件至eic@pc.acs.org。点击“阅读原文”
来源： X-MOL 2024-10-15

山大崔基炜教授团队Chem. Mater. | 超声介导组装蛋白质-多酚胶囊用于增强生物催化级联反应

英文原题：Sono-Assembly of Polyphenol-Protein Capsules for Enhanced Biocatalytic Cascades通讯作者：崔基炜（山东大学）作者：Xiaomiao Cui, Zhiliang Gao, Kaijie Zhao, Ning Wang, Qun Yu, Muthupandian Ashokkumar, Jingcheng Hao, Jiwei Cui*生物酶可在温和条件下显著加速反应进程，有效降低能耗并极大的减少废物产生，目前已成为工业和环境领域的前沿研究方向。然而，酶在实际应用中却面临着稳定性脆弱、易受环境因素干扰而失活、回收效率低下等严峻挑战，这些瓶颈极大地限制了其广泛应用。酶固定化技术可以改善酶的稳定性、重复使用性以及可回收性，在提高酶的实际应用方面发挥着至关重要的作用。然而，酶的传统固定化方法常受限于传质距离和扩散阻力增加的问题，导致酶的反应速率与催化效率下降。为了开发可提高酶稳定性和催化效率的新型酶固定化方法，山东大学崔基炜教授（点击查看介绍）课题组通过超声介导的自组装策略将酶固定在具有中空结构的胶囊中，缩短了底物和酶之间的传质距离从而提高反应速率与催化效率。另外，共封装多种酶的胶囊可作为微反应器用于模拟复杂的生物代谢途径，增强生物催化级联反应。该研究成果发表于材料化学期刊Chemistry of Materials。图1. 蛋白质-多酚胶囊的制备过程示意图以及表征。在本研究中，作者开发了一种利用超声自组装制备多酚稳定蛋白胶囊的普适性方法。即在超声的辅助下制备乳液，使蛋白质在易挥发性全氟己烷（PFH）液滴和水之间的界面吸附并稳定，随后加入单宁酸（TA），通过强氢键交联蛋白质。最后蒸发去除PFH，即可得到蛋白质-多酚胶囊。通过调整超声功率，蛋白质-多酚胶囊的表现出良好的尺寸可控性。随后作者选择了不同种类的蛋白质来制备蛋白质-多酚胶囊。研究发现具有两亲性质的蛋白质在油水界面上的吸附均可达到稳定乳液的目的，证明超声介导的自组装制备蛋白质-多酚胶囊的方法具有一定的普适性。图2. 不同蛋白质-多酚胶囊的制备。为了开发具有多功能的蛋白质-多酚胶囊，作者使用上述同样的方法制备了同时含有葡萄糖氧化酶（GOx）和辣根过氧化物酶（HRP）的载酶蛋白质-多酚胶囊，实现了基于TMB比色法的葡萄糖即时检测（图2）。此外，他们还设计并制备了CaS-GOx/Fe载酶胶囊微反应器，该反应器能够提高细胞内的•OH水平，从而实现对肿瘤细胞增长的有效抑制。综上所述，本工作开发了一种简便的方法来制备蛋白质胶囊，通过选择适当的酶，可将制备的胶囊定制为酶微反应器，增强生物催化级联反应。这种简便的制备策略可以大大拓宽功能纳米材料的构筑途径，并为生物医学应用提供了一个新的平台。山东大学崔基炜教授为文章的通讯作者，硕士研究生崔小苗为文章的第一作者。该研究得到了国家自然科学基金（(22372091, 22202117），山东省自然科学基金（ZR2021MB080），山东省国际合作（WST2021019）等项目的支持。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Sono-Assembly of Polyphenol–Protein Capsules for Enhanced Biocatalytic CascadesXiaomiao Cui, Zhiliang Gao, Kaijie Zhao, Ning Wang, Qun Yu, Muthupandian Ashokkumar, Jingcheng Hao, Jiwei Cui*Chem. Mater., 2024, 36, 18, 8864–8871https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.4c01698 Published September 1, 2024© 2024 American Chemical Society导师介绍山东大学崔基炜教授团队介绍http://cis.sdu.edu.cn/cui_lab.htm https://www.x-mol.com/university/faculty/49994 （本稿件来自ACS Publications）
来源： Chemistry of Materials 2024-10-14

ACS Cent. Sci. 康奈尔大学林合宁教授团队 | 白喉酰胺缺失通过调节RRM1翻译增加哺乳动物细胞中的DNA复制压力

英文原题：Loss of Diphthamide Increases DNA Replication Stress in Mammalian Cells by Modulating the Translation of RRM1通讯作者：Hening Lin作者：Jiaqi Zhao, Byunghyun Ahn背景介绍白喉酰胺（diphthamide）是一种独特的蛋白翻译后修饰，其合成过程涉及四个步骤和至少七个相关基因（DPH1-7）。白喉酰胺仅存在于真核延伸因子2（eEF2）中，并在大多数真核生物中高度保守。它能够防止翻译过程中的-1移码现象（即核糖体在合成多肽时向后移动一个核苷酸），从而确保翻译的准确性。同时，其生物合成基因的缺失与人类的发育缺陷和癌症密切相关。然而，白喉酰胺在细胞中的具体功能机制尚未完全阐明，对其在哺乳动物细胞中的研究也相对局限。DNA复制压力被认为与多种生理和病理状态息息相关。核糖核苷酸还原酶1（RRM1）在dNTPs合成的限速步骤中起关键作用，其表达或活性失调与DNA复制压力及基因组不稳定性密切相关。此外，RRM1的异常与多种人类癌症相关，因此被视为潜在的癌症治疗靶点。深入研究RRM1与DNA复制压力之间的关系将有助于更好地理解癌症的机制。图1. 白喉酰胺结构。文章亮点作者开发了一种结合计算分析与定量蛋白组学的策略，成功识别了哺乳动物细胞中受白喉酰胺影响的蛋白候选物，并验证了特定蛋白受到白喉酰胺调节的机制。这为进一步研究白喉酰胺的生物功能及翻译过程中的-1移码提供了有力工具。此外，本研究揭示了白喉酰胺在哺乳动物细胞DNA复制压力中的作用，发现白喉酰胺缺失通过调节RRM1的翻译加剧了DNA复制压力，为解释白喉酰胺缺乏与癌症之间的关联提供了新的见解。图文解读作者在培养HEK293T野生型和白喉酰胺缺失细胞的过程中，观察到缺失细胞的生长速度较慢。由于DNA复制对细胞正常生长至关重要，作者猜想白喉酰胺缺失可能会引起DNA复制压力的累积。通过检测RPA32蛋白T21位点的磷酸化，他们发现缺失细胞中存在更高的DNA复制压力，并导致停滞复制叉的累积（图2）。图2. 白喉酰胺导致哺乳动物细胞生长缺陷及DNA复制压力累积。作者随后试图寻找导致此现象的分子机制。他们推测，白喉酰胺缺乏会增加-1移码率，导致移码蛋白（特别是截断蛋白）增多，从而表现为蛋白质水平的差异。基于此，他们开发了一种两步策略来识别受白喉酰胺影响的候选蛋白：首先，通过计算预测，在人类转录组中搜索易发生-1移码的序列；然后，利用定量蛋白组学技术分析在缺乏白喉酰胺的细胞中总量发生变化的蛋白。通过整合这两种方法，作者旨在找出哪些基因的蛋白质水平差异更可能受到-1移码的调节，即更易被白喉酰胺的影响（图3）。图3. 结合计算预测与定量蛋白质组学研究受白喉酰胺影响的候选蛋白的策略。作者首先在人类转录组中搜索具有X XXY YYZ特征的“滑动序列”（slippery sequence），对含有此特征序列的mRNA，他们选取“滑动序列”后100bp的序列，预测其是否能形成稳定的二级结构。结果显示，人类转录组中约40%的序列可能含有潜在的-1移码信号。随后，作者采用细胞培养稳定核素标记（SILAC）定量蛋白质组学技术比较正常细胞与白喉酰胺缺失细胞的蛋白质组：他们首先分析SILAC数据中的heavy-to-light ratio (H/L ratio)，识别出在缺失细胞中水平下降的蛋白；其次，根据上文预测的-1移码信号，他们构建了“-1移码蛋白序列库”，并对SILAC数据进行分析，确认了与猜想一致的-1移码蛋白质肽段。最终，结合这两种SILAC分析和计算预测的结果，确定了164个可能受白喉酰胺影响的候选蛋白。基于观察到的DNA复制压力表型，作者选择研究蛋白RRM1（核糖核苷酸还原酶M1）。RRM1在DNA复制原料dNTP的生物合成中发挥关键作用，因此其蛋白水平对维持正常DNA复制至关重要。作者通过免疫印记实验确认RRM1在白喉酰胺缺失细胞中的水平下调，并发现此区别并不通过转录或蛋白质降解影响。他们随后设计了一个双荧光素酶报告体系来检验RRM1是否通过-1移码调节。将RRM1预测的-1移码序列插入报告体系后，结果表明RRM1在白喉酰胺缺失细胞中的-1移码水平上调。最后，作者通过敲除与回补实验验证RRM1蛋白水平降低是白喉酰胺缺失导致DNA复制压力升高的重要因素（图4）。图4. 白喉酰胺缺失通过影响RRM1的-1移码增加细胞DNA复制压力。总结与展望作者通过计算与实验相结合的方法，验证了蛋白RRM1的翻译过程受到白喉酰胺通过-1移码的调节，从而影响细胞内的DNA 复制压力，为白喉酰胺与癌症的关系提供了新的视角。这一发现也为进一步研究-1移码是否为一种普遍存在于人体细胞中的调节机制提出了可能性。因此，研究并开发更准确的-1移码信号预测方法和实验验证手段，将帮助进一步深入理解这一过程及其潜在的生理和病理学意义。通讯作者信息林合宁 博士林合宁博士于 1998 年获得清华大学化学学士学位，2003 年获得纽约哥伦比亚大学生物有机化学博士学位。在哈佛医学院完成博士后研究后，他于 2006 年成为康奈尔大学化学与化学生物学系的教员，并于 2024 年调至芝加哥大学。他的实验室研究酶的化学、生物学和治疗靶向性，特别是控制蛋白质翻译后修饰的酶。他获得的奖项包括 Jane Coffin Childs 奖学金、Camille 和 Henry Dreyfus 新教师奖及美国化学学会辉瑞酶化学奖。他自 2015 年起担任霍华德休斯医学研究所研究员。他曾担任 eLIFE 的评论编辑，现担任 ACS Chemical Biology 的副主编。他是 Sedec Therapeutics 的创始人和顾问。扫描二维码免费下载全文，或点此查看原文ACS Cent. Sci. 2024, ASAPPublication Date: September 6, 2024https://doi.org/10.1021/acscentsci.4c00967 © 2024 The Authors. Published by American Chemical SocietyEditor-in-ChiefCarolyn R. BertozziStanford UniversityDeputy EditorKirk S. SchanzeUniversity of Texas at San Antonio College of SciencesACS Central Science 出版有关化学及其相关领域最引人注目的研究成果，其中化学方法起到关键作用。同时， ACS Central Science是美国化学会出版的第一本完全开放获取期刊，旨在探讨化学基础领域的重要进展，以及应用和跨学科研究，重点介绍化学在其他众多科学学科中的重要作用。2-Year Impact FactorCiteScoreTime to First Peer Review Decision12.725.541.6
来源： ACS Central Science 2024-10-10

ACS AMI 亮点速递 | 香港理工大学负泊松比织物应变传感器提升智能可穿戴设备检测性能

英文原题：High-Performance Stretchable Strain Sensors Based on Auxetic Fabrics for Human Motion Detection通讯作者：杨雅蝶（香港理工大学），胡红（香港理工大学）作者：张铭龙海，杨雅蝶，胡慧铭，赵帅权，宋文芳，Nazmul Karim，胡红背景介绍随着智能可穿戴设备的飞速发展，柔性应变传感器因其出色的可伸展性、柔韧性和便携性，已经在人体运动检测、健康监测等领域展现出广泛的应用潜力。然而，传统织物应变传感器通常采用正泊松比的织物材料，其在应变过程中表现出的电阻变化往往存在方向性冲突，导致传感器在受力时灵敏度受到限制，影响了检测性能。此外，传统织物传感器与皮肤的顺应性较差，在佩戴过程中容易产生位移或脱落，影响数据的准确性和设备的舒适性。尤其是当传感器应用于关节等频繁活动的部位时，正泊松比材料的收缩效应限制了肌肉和关节的活动，增加了皮肤的压力，导致不适感。文章亮点为了解决这些问题，本研究团队开发了一种基于负泊松比结构的石墨烯改性织物应变传感器。通过创新的织物结构设计，该传感器能够在径向拉伸时，在纬向同步扩展，展示出独特的负泊松比效应，从而大幅提升了传感器的灵敏度和对人体运动的适应性。本文提出的传感器不仅具备高灵敏度和高顺应性，还能够在多次洗涤后保持优异的性能，展示了该技术在智能可穿戴设备中的广泛应用前景。图1. 负泊松比织物应变传感器设计及制造。a) 具有正泊松比的传统织物。b) 具有内凹六边形单元的负泊松织物结构设计。c)织物照片。d)织物在纵向拉伸时双向膨胀示意图。e)传感器制备示意图。1. 创新织物结构设计本研究通过使用商用经编技术，设计并制造了一种基于负泊松比结构的石墨烯改性织物应变传感器。这种传感器采用具有内凹六边形单元的织物结构，使其在拉伸时不仅沿加载方向延展，还能够在垂直方向上同步扩展，实现负泊松比效应。与传统正泊松比织物相比，该结构有效地在拉伸方向和其垂直方向同步了电阻变化趋势，大幅提升了传感器的灵敏度。实验证明，负泊松比结构使得传感器的灵敏度提高了8倍，且通过织物结构参数设计，可改变负泊松比性能，从而根据实际应用需求调整灵敏度等多种传感检测性能。2. 高性能与高耐久性负泊松比织物传感器在灵敏度和动态性能方面表现出色。该传感器在不同频率和不同应变区间均表现出稳定的传感性能。在经过1000 次重复拉伸和多次标准洗涤循环后，传感器仅表现出轻微的性能下降，依然能够保持稳定的电阻变化。此外，该传感器具有极好的顺应性，能够贴合关节等部位的运动，确保在大幅度的关节弯曲和运动过程中不会出现脱落或滑移的现象。该传感器在各种场景下表现出优异性能，包含复杂的关节运动、体育活动以及如咳嗽、吞咽等微小动作的监测。图2. 负泊松比织物应变传感器性能。a)石墨烯涂层和未涂层织物的泊松比值。b)传感器在 10 次洗涤周期前后的泊松比值。c) 未涂层织物在 10 次洗涤周期前后的泊松比值。d) 负泊松比织物应变传感器的相对电阻变化。e) 在 0.05 Hz 的频率下对 10%、20% 和 40% 的应变的响应。f) 在 0.05 Hz、0.1 Hz、0.25 Hz 和 0.5 Hz 的不同频率下对 40%应变的响应。g)传感器在 20% 的应变下拉伸 1000 次循环。h) 1000次拉伸循环下的拉伸回复曲线。3. 工业化生产潜力该负泊松比织物应变传感器不仅在实验室条件下展示了优异的性能表现，还具备通过工业化生产实现大规模应用的潜力。研究表明，通过负泊松比织物结构设计制造的传感器，可以利用现有的商用纺织技术大规模生产各种参数的负泊松比织物，而不需要引入额外的昂贵材料或复杂工艺。石墨烯改性织物的生产过程简单高效，能够通过浸涂法多次涂覆石墨烯氧化物并还原，从而实现高导电性和高灵敏度。总结/展望本文提出了一种基于负泊松比结构的石墨烯改性织物应变传感器，展示了通过织物结构设计显著提升传感器性能的可能性。该传感器具备高灵敏度、耐用性和动态稳定性，能够准确监测人体的多种运动，尤其适合应用于关节运动监测、运动训练以及健康监测等场景。研究结果表明，通过结构设计引入负泊松比效应能够有效提升传感器的信号响应性能，这为未来开发高性能可穿戴传感器提供了重要的思路。通讯作者简介杨雅蝶 助理教授香港理工大学时装及纺织学院助理教授，主要研究方向智能服装及纺织品设计，针织技术，功能性服装及符合人体工学的服装及产品设计。胡红 教授香港理工大学教授，主要研究方向为负泊松比材料和结构，纺织复合材料和智能可穿戴纺织品。扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文ACS Appl.Mater.Interfaces 2024, 16, 37, 49845–49855Publication Date: September 9, 2024https://doi.org/10.1021/acsami.4c13402 Copyright © 2024 American Chemical SocietyEditor-in-ChiefXing Yi LingNanyang Technological UniversityDeputy EditorPeter Müller-BuschbaumTechnische Universität MünchenACS Applied Materials & Interfaces为化学家、工程师、物理学家和生物学家等的跨学科领域提供服务，重点探索如何具体应用开发新材料和研究界面过程2-Year Impact FactorCiteScoreTime to First Peer Review Decision8.31633.6
来源： ACS Applied Materials & Interfaces 2024-09-26

ACS Cent. Sci. | 共价有机框架负载钯物种的结构再鉴定：异相化环钯配合物作为高效催化剂发展可持续的碳氢键活化反应

英文原题：Structural Reassignment of Covalent Organic Framework-Supported Palladium Species: Heterogenized Palladacycles as Efficient Catalysts for Sustainable C−H Activation通讯作者：Dan Li and Jian He作者：Meng-Ying Sun, Sheung Chit Cheung, Xue-Zhi Wang, Ji-Kang Jin, and Jun Guo背景介绍C−H键在自然界中无处不在，开发直接有效的C−H键功能化方法对于化学品生产、药物研发和新型功能材料的探索至关重要。钯(Pd)因其优异的氧化还原能力和与各种偶联试剂的高度兼容性，被广泛用于C−H活化/C−C和C−杂原子键的合成。另外，利用不同类型的配体支架可以提高反应效率并控制钯介导的C−H裂解的化学、区域和立体选择性。在均相反应中，钯催化剂往往会被迅速还原生成Pd(0)纳米颗粒从而失活，导致大多数C−H活化反应的转化数(TON)较低(TON < 10)。为了显著提高钯催化剂的TON以拓宽合成应用，可以通过引入合适的催化剂载体来提高催化剂的稳定性，形成高效且可回收的钯催化剂，满足开发可持续C−H活化工艺的要求。由于富电子的含氮配体（例如吡啶和喹啉衍生物）与Pd(II)/Pd(IV)催化循环高度兼容，因此它们已被引入聚合物和胶束材料中。然而，由于聚合物载体灵活性高，单齿配体与Pd(II)的结合能力又相对较弱，难以防止催化剂失活和钯的解离，经过几轮循环后，催化剂仍会失去活性。文章亮点本文利用共价有机框架(COF)作为载体，在COF骨架中构建了富电子氮基配体序列，通过后合成环金属化的方法引入了具有催化活性的环钯物种。该策略不仅能提⾼钯中间体的稳定性，而且避免了⽆活性的Pd(0)纳⽶颗粒的形成。另外，将环钯物种引⼊到不同COF载体中还可以实现催化剂可调性，从而促进不同杂环底物的C−H芳基化。图文解读图1. COF负载环钯配合物的合成示意图2-芳基吡啶和苯甲醛衍生的亚胺与醋酸钯的环钯化在各种有机溶剂中都能够快速进行，而2-芳基喹啉与醋酸钯在乙酸以外的溶剂中的环钯化速率则明显较慢(图1a)。本文报道了一种新型喹啉连接的COF材料，由炔丙基氧基与亚胺键通过分子内氮杂-[4+2]环加成形成，该材料在酸性环境中非常稳定。预先引入烷氧基官能团，有助于在COF载体上形成富电子环钯物种(图1b)。值得注意的是，对于苯甲醛衍生的亚胺，Pd(II)介导的C−H断裂在动力学和热力学上都占优势，因此亚胺COF材料的合成后环钯化能够产生具有环钯物种的COF催化剂，而不是形成位于COF层间的异质化钯物种(图1c)，这得到了一系列表征数据的支持。除了提高高价钯中间体的稳定性和防止形成无活性的Pd(0)纳米颗粒外，将环钯物种整合到不同类型的COF载体中还提供了高度的催化剂可调性，以促进具有不同电性的杂环底物的C−H芳基化。图2. COF负载环钯配合物的合成示意图为了构建稳定的COF结构，我们以1,3,5-三(4-氨基苯基)苯(TAPB)和由1,3,5-三(4-甲酰基苯基)苯衍生的醛(L1和L2)为有机单体(图2)，成功制备了亚胺连接的COF材料(Im-COF-1和Im-COF-2)。Im-COF-1中引入的炔丙基氧基，可用于进一步构建喹啉连接子与Pd(II)发生反应。以三氟化硼乙醚为Lewis酸助剂，对氯苯醌为氧化剂，通过芳香亚胺与末端炔烃的分子内氮杂-[4+2]环加成反应，Im-COF-1高效转化为喹啉链COF载体Quin-COF-1。Im-COF-2中引入的甲氧基，利用苯甲醚氧原子的强共振效应，制备出高电子富集的亚胺基COF载体。最后，分别在乙酸和二氯甲烷中，用醋酸钯对Quin-COF-1和Im-COF-2进行环金属化，室温下可得到COF负载的环钯化合物Pd@Quin-COF-1和Pd@Im-COF-2。粉末X射线衍射(PXRD)测试结果显示，亚胺和喹啉连接的COF都具有良好的结晶性。值得注意的是，从Im-COF-1转化为Quin-COF-1没有发生明显的峰移位，这意味着在分子内环加成过程中，COF结构依然保持高度有序。通过结构拟合，我们发现三种COF均采用AA堆积模式。表1. Pd@Quin-COF-1催化N-甲基吲哚的C2选择性C−H芳基化反应在得到用于C−H芳基化的高效异相钯催化剂后，我们研究了N-甲基吲哚衍生物和二芳基碘四氟硼酸盐的底物适用性(表1)。吲哚环底物能兼容各种给电子和吸电子取代基，包括Weinreb酰胺(3g)和除碘基以外的卤素原子(3h−3j)。在3号位(3k)引入甲基取代基后，尽管C−H断裂过程中的空间位阻有所增加，但C2选择性C−H芳基化仍然可以顺利进行。对于2号位有取代基的底物，选择性C−H芳基化会在3号位发生(3l)。除此以外，其他具有不同空间和电子性质的二芳基碘偶联物均表现出优异的反应性，芳基化产物的产率为74−96%(3m−3t)。总结与展望本文报道了新型喹啉和亚胺连接的COF材料的合成和表征，此类材料可用作固相载体，以制备具有高稳定性和反应性的环钯催化剂。值得注意的是，这是环钯物种首次被用于异相催化体系的C−H活化。根据Pd(II)/Pd(IV)氧化还原机理，固定在COF中的环钯物种能够促进吲哚和吡咯衍生物的C2选择性C−H芳基化。回收的异相钯催化剂均具有优秀的可循环性。这项研究为建立既实用又可持续的绿色化学合成C−H活化工艺，提供了一种具有巨大潜力的替代策略。通讯作者信息何健 教授何健，香港大学化学系助理教授（课题组主页：https://www.helab.org/  ）。于2011年在浙江大学获得学士学位（师从麻生明院士），随后在美国斯克里普斯研究所（Scripps Research）获得博士学位（师从余金权教授，美国艺术与科学院院士），并于2016年底在加州理工学院化学与化学工程学院（师从Jonas C. Peters教授，美国科学院院士）开展博士后研究工作。于2019年8月入职香港大学化学系并依托国家重点实验室建立独立科研团队，并致力于有机化学、无机化学与材料科学的交叉学科研究。其课题组的研究重点是设计并发展一系列以有机框架材料和纳米团簇为基础的新型催化剂应用于有机合成化学。多年来，何健博士在碳氢键活化、不对称催化以及光激发自由基化学等领域开展了多项开创性工作。目前以第一作者或通讯作者的身份在Science、Nature Catalysis、Nature Communications、ACS Central Science、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie、Chemical Engineering Journal、Advanced Functional Materials、Nano Letters、JACS Au、ACS Catalysis等著名国际期刊上共发表科研论文40余篇，引用次数超过5200次，H-index为24。2021年获得裘槎前瞻科研大奖，2024年获国家优秀青年科学基金。欢迎对我们研究工作感兴趣并有志于加入一起探索非均相催化、有机合成以及纳米材料领域的博士后和博士研究生联系何健博士（jianhe@hku.hk）。扫描二维码免费下载全文，或点此查看原文ACS Cent. Sci. 2024, ASAPPublication Date: August 28, 2024https://doi.org/10.1021/acscentsci.4c00660 © 2024 The Authors. Published by American Chemical SocietyEditor-in-ChiefCarolyn R. BertozziStanford UniversityDeputy EditorKirk S. SchanzeUniversity of Texas at San Antonio College of SciencesACS Central Science 出版有关化学及其相关领域最引人注目的研究成果，其中化学方法起到关键作用。同时， ACS Central Science是美国化学会出版的第一本完全开放获取期刊，旨在探讨化学基础领域的重要进展，以及应用和跨学科研究，重点介绍化学在其他众多科学学科中的重要作用。2-Year Impact FactorCiteScoreTime to First Peer Review Decision12.725.541.6
来源： ACS Central Science 2024-09-25
ACS材料类期刊列表
ACS润色
Journal Metrics
欢迎关注“ACS材料X”微信公众号
为科研加速
ACS在线审稿培训
全新学术写作交流指南
ACS Wechat QR code