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聚集誘導發(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：2445次

引言

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

唐本忠院士1957年出生于湖北省潛江市；1982年于華南理工大學獲學士學位，1985年、1988年先后獲日本京都大學碩士、博士學位；曾在多倫多大學從事博士后研究工作。1994年7月加盟香港科技大學，2015年在華南理工大學組建人體組織功能重建國家工程技術研究中心支持下獲批香港分中心，并任主任一職。2009年增選為中國科學院院士，2013年入選英國皇家化學會會士。現(xiàn)為科技部973計劃項目首席科學家、國家自然科學基金基礎科學中心項目負責人、廣東省引進創(chuàng)新科研團隊帶頭人、華南理工大學發(fā)光材料與器件國家重點實驗室學術委員會主任、中國化學會和英國皇家化學會聯(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用研究，其所提出的原創(chuàng)“聚集誘導發(fā)光（AIE）”材料體系及其在光電功能材料和生物成像領域的應用，入選中科院文獻情報中心和湯森路透聯(lián)合發(fā)布的《2015年科學研究前沿》，并位于化學與材料學研究熱點的第二位。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的材料體系），也是最有希望應用于高品質生物成像與動態(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域的應用。2018年，唐本忠院士獲得“2017年度國家自然科學一等獎”（第一完成人）。

目前，由唐本忠院士開拓的AIE領域已經召開了兩年一屆的專題會議4次，在2015、2020年環(huán)太平洋國際化學會議上也設置了AIE分會，英國皇家化學會《Faraday Discussion》也來到中國集中討論AIE相關成果。國內外的著名雜志已經出版了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)學和細菌檢測等方面應用的成果（圖1）?？梢哉f，在唐本忠院士的帶領下，AIE在不到二十年的時間中，完成了從 “概念”到“領域”的升華。

圖1 AIE的應用

作為AIE概念的提出者和研究的引領者，唐本忠院士累計發(fā)表學術論文約1600篇，他引12萬余次，h指數(shù)為159，并于2014~2019年連續(xù)入選化學和材料雙領域高被引用科學家（圖2）。同時，唐本忠院士先后獲得多項榮譽及獎勵，如國家自然科學一等獎（2017），何梁何利科學與技術進步獎（2017）、第27屆夸瑞茲密國際科學獎（2014）、美國化學會高分子學術報告獎（2012）、國家自然科學二等獎（2007）、裘槎高級研究成就獎（2007）、中國化學會高分子基礎研究王葆仁獎（2007）和愛思唯爾出版社馮新德聚合物獎（2007）等。同時，AIE作為由中國科學家開創(chuàng)和引導的新領域，也吸引了來自全球科學家的研究興趣和前沿商業(yè)的關注，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家的關注和跟進此工作。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，將有力地推動生物醫(yī)用材料和相關研究的飛速發(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 谷歌學術檢索唐本忠院士個人資料

為了帶領大家一覽大牛風采，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，希望能給相關領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，逐漸成為目前應用最廣泛的軟材料之一，在微流體、組織工程、柔性設備、可穿戴設備等領域顯示出廣闊的應用前景。然而，PDMS的楊氏模量很低，經常需要改性來提高其剛度和承重能力。楊氏模量的微調困難和低韌性嚴重阻礙了其在組織工程和柔性器件等領域的應用。

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有鑒于此，香港科技大學唐本忠院士等^[1]通過冰模板技術開發(fā)了聚二甲基硅氧烷-蒙脫石層狀（PDMS-MMT-L）納米復合材料，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，利用聚集誘導發(fā)光（AIE）分子輔助共聚焦成像技術獲得的熒光圖像重建了PDMS-MMT-L納米復合材料的三維結構。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生了較高的應力，且層狀結構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，關注少量拉伸下的裂紋擴展過程。這項工作表明AIE輔助表征技術可以作為一種通用的方法來更好的評價有機-無機納米復合材料的增韌機理。

圖3 PDMS-MMT-L材料的制備及結構表征

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，科學家們一直致力于設計理想的蒸發(fā)器，包括用于高效光熱轉換的太陽能吸收器以及用于隔熱和輸水的浮動結構，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。這項工作首次將側面輔助蒸發(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構，具有出色的親水性，可用于蒸汽逸出和供水，側面輔助蒸發(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 二維結構到三維結構的轉變及形貌表征

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

對移植手術進行術后免疫反應實時監(jiān)測，這是延長移植人存活時間的關鍵。目前來說，評價移植人免疫反應的黃金標準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性，活體組織檢查常常還會出現(xiàn)假陰性結果，嚴重影響術后監(jiān)測的效果。

針對這一問題，香港科技大學唐本忠院士等^[3]報道了一種具有聚集誘導發(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)測移植術后免疫反應。作者通過結合分子轉子（四苯乙烯等）和激發(fā)態(tài)分子內質子轉移模塊苯并噻唑設計了新型近紅外發(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)，而結晶的出現(xiàn)則有利于鎖定和強化HBTTPEP的分子構象，從而最小化分子內運動并大幅提高熒光性能。當口服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。研究顯示，體內熒光強度與排斥程度呈正相關關系，表明HBTTPEP/GPs可以監(jiān)測移植排斥反應的進程，這一監(jiān)測方式可以避免由手術創(chuàng)傷和自發(fā)熒光造成的“假陽”信號。該研究結果表明，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備（PPE）。然而，目前PPE的原材料嚴重短缺，并且不適當?shù)腜PE處理和消毒也會導致交叉污染。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建可重復使用、可殺菌的PPE而言具有重要意義。

有鑒于此，香港科技大學唐本忠院士等^[4]利用靜電紡絲技術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）產生能力并與商業(yè)化的光敏劑玫瑰紅（RB）進行了對比，結果表明，在模擬太陽光照射下，TTVB比RB具有更強的ROS產生能力。由于其具有多孔的納米結構，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在可見光范圍內具有良好的光吸收、高效的ROS生成和溫和的光熱轉換性能。

一系列的抗菌性能評價結果表明，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。這一研究為構建可重復使用且高效殺菌的復合材料提供了一種新的策略，在生物防護領域具有重要的應用價值。

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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