生物体多器官的空间异质性导致环境污染物在生物体内的毒性分子机制错综复杂。基于传统化学和生物分析的环境毒理学研究,通常将研究对象看作“均一”整体,无法从空间上准确定位污染物及其代谢。以质谱成像和组学分析为基础的技术,同时对污染物、污染物代谢活化途径及其诱导的生物分子进行定性、定量和空间分析,从而确定污染物迁移、生物学效应及其毒性作用的靶器官,是目前最有前景的分析方法之一。本文综述了质谱成像和组学研究策略和特征,介绍了本课题组在相关领域取得的研究进展。同时简单展望了单细胞质谱成像、微流控芯片-质谱成像联合策略等先进技术在环境毒理研究中的潜在应用。

羰化反应(氢甲酰化反应、羰化羧酸化反应、羰化酯化反应、羰化酰胺化反应等)是制备醛(/醇)、羧酸、羧酸酯、酰胺等高附加值含氧羰基化合物有效的途径,具有反应原子经济性高、目标羰基化合物选择性高、反应条件较氧化过程更温和可控的优势。羰化反应的原料包括烯烃、炔烃、卤代烃、醇等有机化合物。其中,在过渡金属催化剂作用下,炔烃与不同的亲核试剂(水、醇、胺等)通过发生(单/双)羰化反应可以100%原子经济性地合成(不饱和/饱和)羰基化合物(如羧酸、羧酸酯、酰胺),制得的羧酸、羧酸酯、酰胺等羰基化合物不仅在医药、农业、日化工业中有广泛用途,还是聚合、Aldol 缩合和Micheal加成等有机反应中过程反应的重要原料。因此,过渡金属催化的炔烃羰化反应成为均相催化领域受到广泛关注的研究内容。本文从不同类型的炔烃羰化反应和反应中所用羰源等方面综述了近十年来该领域的研究现状并展望其发展前景。

冠状病毒(Coronavirus, CoV)是一类具有包膜的正股单链RNA病毒,可感染人类和多种动物。2019年末,一种新的β-冠状病毒SARS-CoV-2(Severe acute respiratory syndrome-coronavirus-2)开始在人际间传播,该病毒引发的疾病“COVID-19”(Coronavirus disease 2019)对全球公共卫生构成严重威胁。糖基化是一种存在于蛋白质上的翻译后修饰,可影响蛋白质的折叠、稳定性及和受体之间的结合等,研究表明SARS-CoV-2包膜中的病毒嗜性决定因子-刺突蛋白(Spike,S)及宿主细胞上的主要受体血管紧张素转化酶2(Angiotensin-converting enzyme 2, ACE2)均为高度糖基化蛋白。为探明糖基化修饰在SARS-CoV-2病毒侵染及与宿主免疫应答中的作用,本文综述了该病毒的侵染机制,体外重组病毒S蛋白和宿主受体ACE2的糖基化类型及糖基化对病毒与宿主相互作用的影响,并提出基于糖基化的COVID-19诊断和药物研发新策略。

临床研究证实雷奈酸锶可以通过改善骨形成同时减少骨吸收以抑制骨质疏松症。这些作用部分是通过锶对骨代谢的影响来介导的,微量元素锶能够促进成骨和血管生成。目前,在骨科相关领域对掺锶复合材料的研究日益增多。本文主要综述了锶对骨组织的主要作用机制,以及与骨之间的相互作用,亦着重介绍了不同锶掺杂生物材料在局部骨组织修复中的应用,尤其是在骨质疏松性骨再生中的应用,以期为锶在骨修复中的进一步应用提供理论依据。

为快速、高效处理大量实验及其数据,进一步加快材料研发过程,高通量筛选成为了一种越来越重要的实验手段,被广泛应用于众多领域,以提升实验效率。而高通量实验平台是开展高通量实验的基础条件。现有高通量实验平台,如微孔板,在处理珍贵样品和试剂时,仍存在消耗量较大、实验通量较低等问题,仍有待进一步优化。而微液滴阵列作为一种新兴的微型化和集成化高通量平台,具有试剂及样品消耗少、反应时间短、高度集成化、可操作性强等优势,在生物医用领域得到了广泛的研究和应用。本文总结归纳了微液滴阵列的制备方法,将其划分为表面化学驱动和物理形貌辅助两大类,并对不同制备方法的优缺点进行了简要的分析;随后从2D细胞筛选、3D细胞培养、单细胞分析及全机体筛选四个方向对其在生物医用高通量研究中的应用进行了简要介绍,最后总结分析了微液滴阵列在应用过程中存在的问题和未来的发展方向。

单细胞水平的检测能够在细胞群中分辨出稀有的异常细胞,在生物医学领域如疾病的早期诊断和治疗评估等方面有着至关重要的作用。通过整合微流控技术、电阻抗技术与流式细胞术,微流控阻抗细胞仪能够在微流体精确操控条件下,实现流动态单细胞的连续、无损阻抗检测。与传统的单细胞检测方法相比,微流控阻抗细胞仪具有非标记、多参数、低污染和检测速度快等显著优势,为细胞的种类鉴别与状态监测提供了强有力的工具,因此近年来研究学者已成功开发出各式具有不同结构和功能的微流控阻抗细胞仪。本文首先介绍直流阻抗细胞仪、交流阻抗细胞仪以及形变阻抗细胞仪的工作原理和开发进展,随后讨论微流控阻抗细胞仪在血细胞、癌细胞和微生物等生物样品检测中的最新应用情况,并从集成化和微型化两方面阐述微流控阻抗细胞仪在临床即时检测中的应用前景,最后总结了现有微流控阻抗细胞仪存在的不足并探讨了该领域的未来发展趋势。

神经电极是监测大脑活动的重要工具,在理解大脑运行机制和治疗神经系统疾病等领域发挥着重要作用。实现神经电极对神经电信号的长期稳定检测,构筑可靠的电极-神经界面是关键。传统的神经电极多采用刚性材料,与柔软的神经组织力学性能不匹配,限制了其对神经电信号的长期稳定记录。石墨烯是一种具有单原子层厚度的二维碳纳米材料,具有高的导电性、力学柔性和良好的生物相容性,可以与神经细胞/组织构筑稳定的电极-神经界面,从而实现神经电信号的长期稳定记录。本文梳理了石墨烯在神经电信号检测中的应用,包括石墨烯-细胞的相互作用及利用石墨烯神经电极进行体外和在体神经电信号的检测和记录等。最后,对石墨烯在神经电信号检测方面的未来发展方向进行了展望。

伤口的快速止血和愈合对人类的生命保障和身体健康有十分重要的影响,使得伤口护理材料的研究备受关注。其中,从动植物中提取或由生物基单体合成而得的生物基高分子材料,因具有良好的物理性能、生物活性、生物相容性、生物降解性和生物可吸收性等优点,被人们通过物理或化学方法,进行改性或药物负载,制成具有止血、杀菌、保护和促进伤口愈合等功能的止血材料和伤口敷料。本文从化学组成、制备方法、材料结构、评价方法和生物活性等多角度综述了近年来(特别是近5年来)聚乳酸、壳聚糖、海藻酸钠、透明质酸、蛋白质和聚磷酸盐等常见的生物基高分子在止血材料和伤口敷料方面的国内外研究进展,并分析对比了国内外研究水平。展望未来的研究和发展方向,在原料的种类拓宽、材料的多功能化和仿生化等方面仍待努力。

聚偏氟乙烯(PVDF基)含氟聚合物由于其独特的性能受到了广泛的关注。将功能化链段引入PVDF基含氟聚合物可以进一步提升其性能并拓展其应用领域。相较于物理共混法和直接共聚改性法,通过接枝改性法将功能化单体引入含氟聚合物的侧链具有更显著的优势,可便捷、高效地得到组成精确,结构可控的接枝共聚物。本文综述了通过活性自由基聚合(包括ATRP、SET-LRP、有机催化原子转移自由基聚合(O-ATRP)、光诱导Cu(Ⅱ)介导RDRP)和高能射线辐射(γ射线,紫外,电子束)等对PVDF基含氟聚合物功能化接枝改性的方法,并对其发展趋势以及改性聚合物的应用前景进行了展望。

锂硒电池是一种非常有潜力的下一代高能量密度电池,具有理论体积能量密度大(3253 mAh·cm^-3)、电导率高(1×10^-3 S·m^-1)、环境友好等优良特性,已经逐渐成为电化学领域的一个研究热点。然而,目前锂硒电池仍面临活性材料利用率低、库仑效率低、容量衰减快以及多硒化物中间体穿梭等诸多问题。针对这些问题,国内外研究人员进行了大量的探索,例如,在正极处采用多种碳材料、金属化合物、硒合金等进行封装改性;在负极处采用固体电解质界面方法进行保护。本文全面综述了锂硒电池在正极、负极、电解质、隔膜、黏结剂、集流体等方面取得的最新研究进展,特别是在纳米硒的封装、固体电解质保护层的制备、新型多功能隔膜的研究、多种黏结剂和集流体的应用等方面进行了重点总结。最后,对锂硒电池的未来发展前景和商业化应用进行了展望。

科技进步使可穿戴设备等便携式电子产品得到了快速发展,柔性电池作为其核心部件,受到越来越多研究者的关注。锂离子电池因具有良好的循环稳定性和较长的使用寿命等优点,成为各类产品的主要电源。为满足电子产品柔性化、微型化发展需求,开发高能量密度的柔性锂离子电池成为亟待解决的问题,作为其关键材料之一的柔性电极是重要的研究方向。本文阐述了柔性锂离子电池电极的研究进展,包括基于自身带有电化学活性的碳材料、Mxene材料的一体化柔性电极,基于非电化学活性的聚合物材料、纺织材料、金属基的一体化柔性电极,以及为满足可穿戴设备可编织和大尺寸形变使用需求的宏观柔性新型电极结构设计,分析并探讨了柔性电极目前存在的问题,以期为未来高能量密度柔性锂离子电池的研究提供新的思路。

水系锌离子电池(AZIBs)以低成本、高安全性和高环保特性在大规模储能领域具有广阔的应用前景,当前备受关注的正极材料是研究的热点。锰基化合物因具有资源丰富、环境友好和价格低廉等优点,是最具市场应用前景的一类正极材料。本文详细综述了不同锰基化合物的结构特点以及锰基AZIBs在充放电过程中涉及的四种储能机理,讨论了AZIBs锰基正极材料目前存在的问题和优化策略。最后,提出了AZIBs锰基正极材料具有研究前景的可能性方向,以期对AZIBs的发展起到一定的预见作用。

氧化石墨烯(Graphene oxide, GO)片层组装制备的分离膜,具有可调控的纳米通道和独特的分离性能,是一种很有前景的分离材料,但较差的机械性能制约了其实际应用。将活性分子、阳离子等粒子引入到GO膜的片层间,利用其与GO形成的稳定键合可提高GO膜的机械性能。本文综述了国内外在GO膜机械性能调控方面的研究进展。依据引入的粒子与GO成键的类型可分为共价键法和非共价键法,其中共价键法又分为大分子共价键法和小分子共价键法,非共价键法分为氢键法、π-π键法和离子键法。无论共价键法还是非共价键法都能显著提升GO膜的机械性能,其中共价键法对GO复合膜的增强效果优于非共价键法,大分子共价键法优于小分子共价键法。最后,阐述了现有方法存在的问题,并对未来的发展前景做出了展望。

蛋白质是一类结构稳定、官能基团丰富的生物大分子。近年来基于功能蛋白纳米材料的改性制备逐渐成为环境领域的研究热点。其中多巴胺、淀粉样纤维和蛋白质杂化纳米花是最具代表性的三类功能蛋白纳米材料。受海洋生物贻贝启发,多巴胺在碱性条件下可氧化自聚成富有黏性的聚多巴胺涂层广泛用于界面改性;淀粉样纤维是功能蛋白经热处理或化学变性形成超高长径比纳米结构,进一步暴露氨基酸活性位点,进而强化对污染物净化性能;而蛋白三维结构也方便与金属磷酸盐形成杂化纳米花结构,提供较大比表面积,可协同金属磷酸盐高效净污。本文基于蛋白质的结构特性,总结了多巴胺、淀粉样纤维和蛋白质杂化纳米花三类纳米复合材料的制备、形成机理及在环境污染控制工程中的应用进展,为后续科研工作提供借鉴。

含能材料是一种特殊的能源材料,在国防和民用领域均具有特殊而重要的地位。富氮唑类含能金属配合物及其聚合物是含能材料的一个重要分支,它们在含能材料的起爆药、高能炸药、火箭推进剂和烟花等诸多领域均具有重要的研究价值和广阔的应用前景。本文从咪唑、吡唑、三唑、四唑和五唑等氮唑类含能金属配合物的理论设计、实验合成、性能评估和应用领域等方面近年来的研究进展进行了综述,梳理了用于结构调控、合成优化和性能提升等方面的先进策略,探讨了存在的问题,最后展望了在理论和实验研究上未来的发展方向。