取向碳纳米管纤维及其能源应用

碳纳米管具有独特的一维纳米结构,优异的力学、电学和热学性能,但在实际应用中,由于碳纳米管无规分散且容易团聚,其优异的性能很难在材料宏观层面上充分体现出来。为了促进碳纳米管的实际应用,将碳纳米管的物理性能从纳米尺度拓展到宏观水平变得越来越迫切。近年来,人们通过湿法纺丝和干法纺丝等过程对碳纳米管取向排列,从而制备了具有高拉伸强度和高电导率的纤维,可广泛应用于线状太阳能电池和超级电容器等光电转换和储能器件,极大地推动了能源材料和器件的发展。综述了取向碳纳米管纤维的合成方法、结构和性能,重点介绍其作为电极材料在线状染料敏化太阳能电池和超级电容器等能源领域的应用,最后展望了取向碳纳米管纤维的未来发展方向。

刺激响应性聚合物光子晶体研究进展

光子晶体是一种具有周期性有序结构功能材料,通过对其构建单元进行设计,可以有效调控光的传输。因聚合物光子晶体可方便引入响应性单元,具有晶格周期和折光指数易调控等特点,而成为刺激响应材料的研究热点之一,并在智能显示、防伪识别、传感检测等领域表现出良好的应用前景。本文主要总结了刺激响应聚合物光子晶体的调控方法和性能,并基于近年来国内外的文献综述了其最新的研究进展。

柔性纤维生物电子复合材料与器件

可穿戴和可植入的纤维生物电子器件可以实现对人体生理体征的实时监测和精准调控,在健康监测和疾病诊疗等领域发挥了革新作用.然而,传统的纤维生物电子器件柔性不足而与生物软组织的力学性能不匹配,难以形成稳定的器件/组织界面,最终无法实现长期稳定工作.本文重点介绍了近年来课题组针对上述问题在柔性纤维生物电子复合材料与器件方面的研究进展.首先制备了具有杂化结构和芯鞘结构的柔性高分子复合纤维电极,并面向柔性生物电子器件要求,对纤维材料的电学和力学性能及生物安全性进行表征.进一步,基于所制备的复合纤维电极,发展出一系列可穿戴和可植入的纤维生物电子器件,具有传感、能源、调控等功能,并通过建立稳定的器件/组织界面,实现了在体长期工作,在生物医学研究和智慧医疗等领域展现出良好的应用前景.最后,展望了柔性纤维生物电子领域的未来发展方向.

纤维储能电池的设计和应用

以纤维锂离子电池为代表的纤维储能电池凭借其独特的一维结构,在物联网、可穿戴技术等新兴领域发挥着重要作用.然而,这类纤维储能电池在面向实际应用的过程中存在高效制备和性能匹配等难题尚未解决,最终无法实现由科学理论向实际应用的过渡.本文结合本课题组近期工作,总结了柔性纤维储能电池方面的研究进展.结合纤维锂离子电池的电化学性能、力学性能以及使用耐受性,首先讨论并归纳了纤维锂离子电池的连续化制备方法;进一步,总结了基于连续化制备的纤维锂离子电池所构建的储能织物以及与可穿戴设备集成等方面的应用,重点聚焦于其在大数据云健康、未来通讯、生物医学等领域的应用场景;最后,总结了柔性纤维储能电池的发展现状并展望了该研究领域的未来发展方向.

基于环烷烃/乙醇混合碳源高性能碳纳米管纤维的连续化制备

利用化学气相沉积和干法纺丝方法可以制备得到碳纳米管纤维,但受限于反应碳源较为单一,目前纤维的力学和电学性能还难以有效满足实际应用需求,如何实现高性能碳纳米管纤维的连续制备,仍是本领域一个重要挑战.本研究通过设计十氢萘/乙醇新型二元混合碳源,重点调控环烷烃/乙醇的组分比例,实现了高性能碳纳米管纤维的连续化制备,收集速率达到220 m/h.相比于已报道的由单一乙醇碳源制备的碳纳米管纤维,由混合碳源制备的碳纳米管纤维拉伸断裂强度(750 MPa)提升了1倍以上,力学性能在弯折百万次后仍保持稳定;电导率(4.8×10^(3) S/cm)提升4倍以上,可有效满足纤维储能器件应用需求,所构建的纤维状锂–二氧化碳电池显示良好电化学性能.

同步辐射红外光谱成像技术对细胞的研究

同步辐射红外显微光谱技术凭借其超高亮度和高空间分辨率的优势,已经在多学科领域中取得了大量的研究成果。特别是在生物医学领域,同步辐射红外显微光谱可以对无染色、无标记的生物样品进行无损检测并可获得生物分子的大量结构信息,因此得到广泛应用。随着同步辐射红外显微光谱技术的发展,生物化学家和光谱学家已经将研究的重点从组织层次的红外光谱成像(组织红外光谱成像)扩展到细胞层次的红外光谱成像(细胞红外光谱成像),并在近十年的研究中取得了大量的研究成果,但同时也暴露出一些问题,例如(1)细胞或介质中的水在红外光谱酰胺Ⅰ谱带具有很强的吸收;(2)不平整的细胞表面会导致红外光谱中产生Mie散射;(3)细胞红外光谱的复杂性和不确定性会影响数据分析的有效性和准确性。另一方面,生化学家和光谱学家也为解决这些问题采取了许多有用的策略。因此,本综述首先从样品制备、实验设计以及数据分析等方面对最近十年来细胞同步辐射红外光谱成像技术取得的成果进行了总结,随后介绍了目前细胞红外成像技术面临的问题以及解决策略。我们相信,通过多束同步辐射红外光与焦平面阵列(FPA)探测器的结合,同步辐射红外光谱成像技术在对细胞的结构和功能研究中以及其他领域不同材料的研究中都会逐步显示出独特的作用。

新型纤维状能源器件的发展和思考

近年来,可穿戴电子设备受到了人们的广泛关注,柔性、轻质和可集成成为发展的主流.然而,随着可穿戴电子设备的快速发展,在能源供给上出现了一些瓶颈难题,如传统块状和板状能源器件难以根据应用要求紧贴不规则基底、柔性相对较低、不能透气导湿,这些问题严重限制了可穿戴设备及其他相关领域的发展.解决上述问题的一个有效策略是将能源器件制成纤维结构.虽然单根纤维状能源器件提供的能量有限,但是它们可以被编成织物,从而输出较高的总能量.同时,能源织物可紧密贴合不规则基底如人体、能透气导湿,有效满足可穿戴设备的应用要求.目前纤维状能源器件包括能量转换和储存两大类,能量转换器件主要有染料敏化太阳能电池、聚合物太阳能电池和钙钛矿电池太阳能电池,而能量储存器件则主要有超级电容器、锂离子电池、锂空气电池、锌空气电池、铝空气电池等.在实际应用中,光电转换和能量储存2个功能往往被集成在同一根纤维状能源器件中.本文重点介绍了纤维状能源器件的发展历史和研究现状,系统总结了这个领域面临的主要挑战,最后展望了本领域未来发展方向.

负载阿霉素的丝蛋白纳米微球

丝蛋白具有良好的生物相容性,生物可降解性以及无免疫原性.利用丝蛋白独特的亲疏水多嵌段共聚物结构特征和构象转变机制,通过乙醇诱导和冷冻相结合的自组装方法制备得到丝蛋白纳米微球后,再在纳米微球表面包覆阿霉素,成功获得了负载阿霉素的丝蛋白纳米载药微球.该载药丝蛋白纳米微球的尺寸为350~400 nm,具有圆球形态并且分散性能良好;其载药率为4.6%,包封率大于90%,在磷酸缓释溶液中的释放可达7天以上.此外,研究发现其缓释行为具有pH响应性,在pH=5.0的磷酸缓冲溶液中的缓释量明显大于在pH=7.4的缓冲液中.体外细胞培养结果显示,纯丝蛋白纳米微球基本没有细胞毒性;而负载有阿霉素的丝蛋白纳米微球能明显抑制癌细胞(Hela细胞)的增殖,且24h和48 h的培养结果表现出与单纯药物相同的药效.因此,该负载阿霉素的丝蛋白纳米微球在临床癌症淋巴化疗方面具有潜在的应用价值.

聚乙烯醇/单宁共混膜的制备及其抗菌性能

采用溶液共混浇膜法制备了不同单宁含量的聚乙烯醇/单宁共混膜材料,利用扫描电镜(SEM)、广角X-射线衍射(WAXD)及示差扫描量热分析(DSC)对共混膜的结构进行了表征.结果表明,单宁和聚乙烯醇具有良好的相容性,聚乙烯醇的结晶能力及熔点均随单宁的加入量增大而稍降低.少量戊二醛的轻度交联作用使单宁在共混膜中非常稳定,在水中浸泡24 h后也仅有不到1.8%的单宁(相对膜中单宁总质量)渗出.接触法抗菌试验表明,所制备的共混膜对大肠杆菌(E.coli,CMCC 44103)、金黄色葡萄球菌(S.aureus,ATCC6538)和表皮葡萄球菌(S.epidermidis,ATCC 12228)都具有良好的抗菌能力,且随着单宁含量的升高而增强.

紫外光辐照制备超亲水再生丝素蛋白膜

众多的研究已表明生物材料的表面润湿性(wettability)对于细胞的粘附有重要的影响.在通过浇铸成膜并辅以乙醇后处理方法制备非水溶性再生丝素蛋白膜的基础上,我们采用紫外光辐照的方法以改变此类丝素蛋白膜的表面特性.接触角测试的结果显示,随着紫外光照时间的增加,丝素蛋白膜表面与水的接触角逐渐降低,最终可以达到超亲水的状态;表面X射线光电子能谱(XPS)分析表明,这是由于丝素蛋白膜表面亲水性基团(包括羧基和羰基等)的含量随着紫外光照时间的延长而增加所致.同时我们发现,经紫外光辐照一定时间后,再生丝素蛋白膜的力学性能并没有发生显著的降低.显然,此类具有较高力学性能且表面亲水性能较好的再生丝素蛋白膜有可能被进一步应用于生物医学领域.

柞蚕丝蛋白/桑蚕丝蛋白共混支架的制备及性能研究

众多研究表明,含有三肽基序即精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)的材料有助于细胞在其上的粘附和生长.尽管作为天然蛋白质的柞蚕丝蛋白同样具有RGD序列,但其从柞蚕丝纤维中的再生过程复杂且不易加工成型,因此对此类蛋白质材料的研究较少.我们以水溶液共混的方式,在再生柞蚕丝蛋白中引入了更为常用的桑蚕丝蛋白,通过对桑蚕丝蛋白水溶液特殊有效的醇诱导和冻融方法,成功制备了非水溶性的柞蚕丝蛋白/桑蚕丝蛋白复合支架材料.研究结果显示,随着柞蚕丝蛋白含量增加,共混支架的孔径和强度均有所下降,但其热稳定性上升;FTIR测试表明,尽管柞蚕丝蛋白和桑蚕丝蛋白的一级结构完全不同,但其二级结构在以此方法制备的支架材料中均以β-折叠构象为主.体外细胞培养实验证实,小鼠成纤维细胞和成骨细胞都能在支架上增殖生长,并且共混支架较纯桑蚕丝蛋白支架具有更高的细胞增殖速率,表明其不仅具有良好的生物相容性,而且可能更适用于组织工程领域.

基于桑蚕丝蛋白的多肽/两亲性多肽及其组装和功能化

多肽的自组装因其独特性质和作用已成为超分子化学、高分子功能材料和生物医用材料等领域的研究热点.桑蚕丝蛋白具有高度重复的多肽序列,其组装行为和相应的结构对动物丝及丝蛋白基材料的形成和特有的优异综合性能起到了至关重要的作用.通过特定的酶降解桑蚕丝蛋白能够以较为经济的方式获得多种明确序列的多肽,并可进一步方便地制备功能性的两亲性多肽.本文结合国内外多肽自组装的研究现状,对本课题组在桑蚕丝蛋白多肽/两亲性多肽的制备、组装以及功能化等方面的研究成果进行了总结,同时也展望了其在若干领域中的实际应用.