实验室围绕仿生材料与界面科学的关键科学问题，与国内外相关研究单位，包括：上海理工大学、内蒙古农业大学、复旦大学、北京航空航天大学、北京大学第三人民医院、北京大学口腔医院、首都医科大学附属北京友谊医院、中国科学院大连化学物理研究所、南方医科大学、中科院力学所、中科院半导体所、燕山大学、日本中央大学等，在仿生界面材料构筑与应用、界面浸润性质调控及仿生微纳孔膜构筑与应用方面开展了深入合作，并取得了一批国际一流水平的原创性科研成果：
离子通道宏观量子态: 神经信息载体
神经科学广泛发展了70多年，然而对神经信息的本质仍缺乏突破性认识。最近报道，离子通道量子相干态可能是神经信息的一种新载体，但是其物理表达式仍然未确定。本实验室与上海理工大学的宋波教授课题组合作，以K+通道为例，从理论上建立了神经离子通道量子态的概念模型, 展示了多离子通道的宏观相干态。该现象的物理机理是：(1)单个离子通道中离子振荡可以释放中红外光子，(2)多个离子通道通过该光子可以实现共振相干耦合。环境场(如脑电波)能够调节离子通道的相干性，与意识存在潜在的关联。神经系统中还存在其他离子通道, 它们也可形成各自的宏观相干态，其机制与K+通道相同。环境场可以进一步调控各种离子通道量子态, 使它们产生整体相干。该现象类似于交响乐：不同的乐器(不同频率的离子通道及其相干态)由乐队指挥(环境场)统一调控，实现音乐和声(整体宏观相干态)。这些研究发现有望为神经科学提供新观点，同时为神经系统相关疾病、健康问题的治疗提供新策略。相关研究工作发表在Sci. China Mater., 2021, 64, 2572–2579。
图24. 离子通道宏观量子态: 神经信息载体
2.分子、离子超流形成的驱动力
分子和离子在生物通道中的有序和高通量流动被认为是一种量子限域超流体，在化学反应和生物信息传递中具有重要的意义。然而，对于这些分子和离子在受限空间中有序排列的驱动力还没有得到讨论。我们证明了分子/离子超流体形成的驱动力是界面限域作用下粒子的引力和斥力平衡，以及足够的空间限域效应以降低粒子的自由度，从而极大地限制粒子的无序运动。热噪声（kBT）引起的无序与引力势能（E）的竞争导致了相变温度。当|E| > kBT时，可以形成粒子的有序结构。4He原子的超流体形成于2.17 K以下。分子或离子在一定的限域距离下，例如分子的两倍范德华平衡距离（2d0），或离子和离子-分子的两倍德拜长度（2λD），在较高的相变温度（接近体温）下可以形成超流体。分子/离子超流体由于具有超低的粒子传输阻力特性，在能量传递、储存和转化等领域将产生重要影响。相关研究工作发表在CCS Chem., 2021, 3, 1258-1266。
图25. 超流形成的驱动力：限域诱导引力-斥力平衡
3.生物光子驱动的DNA复制
生命体需要不断地从外界获取能量、合成物质以维持生命活动。生命体内存在两种重要的合成反应：一种是植物、微生物所特有的光合作用，另一种是生命中普遍存在的生命能量货币ATP参与的生物合成。光合作用通过光量子能量转移可实现高效的光子捕获，其能量利用效率高达95%。通常认为：生物合成反应与ATP的水解反应能发生耦合作用，属于一种热驱动过程，所以即使ATP能量释放过程中产生了光子，也只是新陈代谢的副产品，不会直接参与生化反应。然而，如果考虑热力学第二定律的限制，这将导致一个令人难以接受的结论：高等动物ATP依赖的生物合成的能量利用率应该远低于光合作用的效率。假设该观点不成立，就意味着ATP驱动的生物合成可能存在着类似于光合作用的量子高效机制。因此，很有必要重新考察生化反应中ATP能量释放和利用的问题：是以热能的形式？还是以光子的形式？
面对这样一个重大科学问题，机理方面的关键是揭示生物反应中内源性光子（生物过程自发产生的光子）的来源和作用机制。实验方面的关键是解决超弱光度、超高生理环境噪音条件下生物光子检测的技术难点。近期文献中已有关于特定频率的光子可以发挥重要生理功能的理论假说，但还缺乏实验证据，尤其是内源性生物光子方面的证据。这方面研究对实验条件和技术的苛刻要求也在一定程度上限制了该领域的进展。
我们与内蒙古农业大学张峰教授、上海理工大学宋波教授合作，在理论方面提出：ATP水解可以释放生物光子，并直接驱动DNA合成（图26）。这一过程不同于高能磷酸键断裂产生的热能驱动，而是一个光量子过程。众所周知，脱氧三磷酸核苷酸（dNTPs）采用与ATP相同的方式（即：高能磷酸键水解）释放能量，同时聚合酶链式反应（PCR）中dNTPs既是储能分子又是DNA复制的材料分子。因此，PCR为探索ATP的能量利用提供了一个很好的体外实验模型。技术方面，科研人员选择了金纳米粒子（AuNP）增强的PCR实验作为研究体系，并且创造性地通过调控AuNP浓度实现了实验理论和技术突破：首次发现并提出AuNP可以形成光子共振微腔，调控AuNP浓度可以精确控制微腔的尺寸。当微腔尺寸等于光子半波长的整数倍时，光子可以被束缚在共振腔内，从而有效降低光子的辐射耗散、提高光子在PCR过程中的利用率。通过测定DNA产量，可以读出光子波长，实现超弱信号、超高噪音条件下的内源性生物光子检测。实验结果显示，PCR效率、DNA产量都随AuNP浓度的增加而周期振荡，表明DNA复制过程和光子密切相关。进一步分析实验现象，确定了光子的频率为34 ± 2 THz。这些现象说明：ATP可以通过释放光子来量子驱动生物合成。需要指出的是，除光子频率以外，此量子驱动过程还依赖于光子数目、DNA聚合酶等要素，这些条件不同于传统光化学。如图26右侧子图所示，聚合酶为量子光子化学合成提供了限域空间，使反应分子活性基团的前沿轨道对称匹配、空间对齐，为高效率光子驱动提供必要条件；光子数目导致化学键的共振累积效应，实现了高效率光子驱动反应。
这项关于ATP能量量子转换的研究工作在国际上属于首创，为生物化学、生物物理学、脑科学研究以及生物能源高效利用提供了新视角并开辟了新路径，将极大促进量子生物化学、量子高效化学反应学科的发展，并有望在生物量子物理科学、量子生命科学等领域产生深远的影响。相关工作发表在国际杂志Nano. Res.; 2021, 14, 40–45上。
图26. 基于AuNP-PCR技术的超弱生物光子检测
4.中红外多光子共振驱动的量化化学反应
体内生化反应在体温下进行，通常明显低于体外反应所需的温度，尤其是没有酶参与的体外反应。这一事实表明生命体具有很高的能量利用率，但其机制仍然是一个挑战：为什么体内化学键的断裂可以在如此低的温度下实现？我们近期PCR实验显示，三磷酸腺苷（ATP）在聚合酶的帮助下可以释放34-THz光子（ATP光子），以量子方式驱动DNA复制，即：多光子共振驱动PCR。这一发现显示，存在一种与传统热化学和光化学完全不同的反应类型。传统化学反应中瞬时释放的能量显著高于化学键能量，导致各种副产物的产生（类似于用炸弹打破桥梁，图27（a））。体内生化反应属于我们发现的新反应类型（类似于风以共振方式导致桥梁坍塌，例如，1940年塔科马大桥坍塌）。虽然每个ATP光子的能量明显小于化学键能量，但多个ATP光子可以被DNA化学键共振吸收，从而逐步增加其振幅，实现在有限热效应情况下化学键的断裂。通常，该反应可以采用强激光实现。我们实验结果显示，酶的空间限制效应可以显著提高化学键的振动激发态寿命，实现多个ATP光子共振驱动DNA复制。
基于以上研究，我们内蒙古农业大学张峰教授、上海理工大学宋波教授合作提出了一种由中红外多光子驱动的量化化学反应（quantized chemical reaction）。空间限域效应可以增加反应物化学键的振动激发态寿命，为该化学键共振吸收多个光子提供了物理基础。尽管每个中红外光子的能量明显低于化学键的能量，但是多光子共振吸收可以破坏受限分子的指定化学键。与传统的热化学和光化学不同，量子化化学反应具有较高的能量效率和超高的选择性，这为理解体内和体外生化反应的差异提供了新视角。此外，该研究成果还为我们提出的量子受限超流体反应提供了量子驱动源。同时，中红外多光子共振驱动的量子化化学反应、量子化合成有望为未来化工提供新思路、新方法。相关研究工作发表在Nano Res. 2021, 14, 4367–4369。
图27. 量化化学反应（quantized chemical reaction）。a) 量化化学反应与传统化学反应的不同。b) 多ATP光子驱动DNA合成。c-e) 量化化学反应、量子化合成。
5.超浸润界面诱导晶圆级柔性场效应晶体管器件的制备
用于生物医学应用的可穿戴电子设备，例如电子皮肤，生理活动监测，植入医疗器件，软体机器人与生物组织具有良好的机械兼容性，而半导体聚合物由于具有较低的弹性模量、较高的柔韧性及良好的可拉伸性能，成为电子生物器件的有效替代品。可变形有机场效应晶体管是组成可穿戴电子设备中可拉伸电子设备的基本元素，当前制造可拉伸有机场效应晶体管的方法可分为三类：（i）将修饰的侧链或非共轭柔性基团结合到半导体聚合物链中以增强分子的可拉伸性；（ii）通过纳米限域作用将半导体聚合物纳米原纤维网络掺混到可拉伸弹性体中以增加聚合物链的可拉伸性；（iii）将半导体聚合物纳米线沉积到预应变的弹性基底上，以产生应变设计的几何形状。因此，开发一种普适性的方法来实现具有可拉伸力学结构和高结晶度有机半导体的高精度、高效率加工，对于发展小型化和高集成度的可穿戴电子设备具有重大的科学意义和工业价值。我们与复旦大学赵岩教授合作采用具有微结构的浸润性模板来创建毛细力梯度，诱导液体的连续退浸润和固-液-气三相接触线的定向移动，进而制备可拉伸聚合物微结构。通过优化毛细管梯度诱导的三个连续阶段：液膜破裂，毛细液桥的形成和分子自组装，使得制备的聚合物微结构同时实现高结晶度、复杂的曲线几何形状和晶圆尺度的均匀性。基于这种有序分子排列的曲线结构同时实现了高拉伸性和高载流子迁移率，在50%应变下经过1000次拉伸释放循环后，迁移率保持率为92%。同时这种方法可以在晶圆尺度上大面积制备出尺寸均匀的曲线结构。基于尺寸均一、性能均一的纳米线阵列，可以制备高集成度、高密度的柔性逻辑电路阵列。通过对4英寸晶圆上4200个区域高度、宽度、迁移率、开关比和阈值电压的窄分布的统计，进一步证明了晶圆尺度的均一性。相关工作发表在Nat. Commun. 2021, 12, 7038上(如图28)。
图28. a) 共轭聚合物纳米线阵列的制备方法，b) 对于制备过程中液体退浸润行为的流体力学模拟，c) 聚合物纳米线原子力显微镜图像，d-e) 基于聚合物纳米线场效应晶体管阵列的可穿戴电子设备，f) 基于聚合物纳米线阵列的可拉伸逻辑电路。
6.具有类贝壳结构的高强度异质结助力锂离子筛分
锂离子作为一种重要的资源，其筛分与富集业已成为研究热点。该工作在材料合成过程中引入仿生概念，利用二维复合材料成功构筑了一种具有类似贝壳的层状异质结构的仿生纳米限域孔道复合膜。这种非对称复合膜可有效的实现锂离子筛分和富集，为关键的能源元素锂的回收利用提供了可行性的验证。
在过去几十年里，科学家们模仿一些独特的生物结构或者功能创造出具有识别功能以及高强度机械性能的仿生材料。最近，二维（2D）纳米片作为一种新兴的功能材料受到广泛的关注与研究。这种材料中的纳米通道可以分离具有不同物理化学性质（如尺寸大小、电荷极性以及化学亲和性等）的混合物。此外，纳米片具有优异的柔性、天然孔隙和电学性能，是大规模生产分离膜的理想材料之一。各种层状材料相继被成功地剥离和重构，例如氧化石墨烯(GO)、六方氮化硼、过渡金属碳化物和氮化物(MXene)、黑磷以及层状粘土。其中，纳米片表面独特的化学活性，特别是由含氧官能团产生的疏水域和亲水域的交替区域，能够实现物质的可控传输。然而，目前的二维材料在水溶液中不能长时间稳定，容易发生溶胀，从而影响其实际应用。
基于此，中科院理化所闻利平和北京航空航天大学材料科学与工程学院张千帆团队合作开发了一种简单的重构方法来获得纳米纤维交联的功能化纳米片，形成类似贝壳的层状结构。由于纳米纤维的交联作用，复合膜能够有效防止水溶液进入纳米片层之间引起的溶胀现象。力学性能测试结果表明所制备的纳米片水平排列结构具有较好的力学行为，超过了天然珍珠层的性能。这一特性使得复合膜在水中能够长期的稳定运行和使用。该复合膜的不对称几何构型和化学性质实现了锂离子的提取和筛分，其Li+/Na+和Li+/K+的选择性分别达到了2.52和4.78，超过了目前已报道的基于二维材料复合膜的性能。此外，这种具有非对称的结构，电荷表面以及化学活性的复合膜，有望在水处理、能量转换以及离子电池中有进一步的应用。
图29. 基于仿生纳米通道膜的离子筛分
7.动态共价表面活性剂液液凝聚相全程提高农药的利用率
农药活性成分的包藏、喷洒时的叶面沉积、喷洒后的抗风雨侵蚀和控制释放等各个环节的控制是全面提高农药利用率的重要保障。现有的农药助剂都是从一个或者两个方面控制农药的施用过程，缺乏全过程提升农药利用率的策略和方法。液液相分离（Coacervation）是胶体溶液自发地分离为不相溶的稀释相与凝聚相的现象，其中凝聚相可以呈现多重亲/疏水微区的网络结构，有可能实现对上述过程的全面控制。我们与中国科学院化学研究所王毅琳研究员课题组合作，设计合成了一类动态亚胺键的寡聚表面活性剂，寡聚结构使其具有在较低浓度下即可形成液液凝聚相的能力，而动态亚胺键的存在使得该液液凝聚相具有pH响应性。我们的研究发现，利用寡聚头基TDA-(PhC=O)3分别与庚胺、辛胺和癸胺合成的不同链长的寡聚表面活性剂TIS7、TIS8和TIS10具有非常低的临界胶束浓度和表面张力，且随着浓度增加逐渐从球形胶束向蠕虫状胶束和液液凝聚相转变；TIS10在较低浓度下即形成液液相分离，并具有较宽的浓度区间；该液液凝聚相对水溶性农药模拟物荧光素具有高的包载能力和包载效率；由于液液凝聚相的网络结构与超疏水叶面强的缠结能力，使得包载了农药的高速撞击液滴能够在超疏水甘蓝叶面有效沉积，并具有很强的抗风雨侵蚀的能力；继而，在自然界CO2的作用下，凝聚相逐步解离，农药模型分子逐步释放。因此，动态亚胺键构筑的动态寡聚表面活性剂液液凝聚相体系提高了农药在施用过程中各个环节的利用率，为农药的高效利用提供了新思路（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2006606）。
图30. 动态共价三聚表面活性剂液液凝聚相实现农药施全过程的示意图.
8.粘附整合分子设计概念解决了有机固体气体传感器界面稳定难题
气体传感器在空气质量监控、食品安全评估、医疗诊断和工业安全等领域有着至关重要的应用。其中，基于有机分子的气体传感器因其分子结构和功能可调控性强而引起科学家们浓厚的兴趣。然而，气体传感器普遍面临界面粘附性能差的问题，其传感材料易于从附着的基底上剥离脱落，从而导致传感信号的衰减甚至丧失。为此，科学家们提出了几种典型的方法来增强传感材料与附着基底的界面粘附强度，包括引入有机/无机粘附剂或高温煅烧等，但是这些策略并不适用于有机分子基的传感器件。因此，发展强界面粘附的有机分子基气体传感器仍然面临巨大挑战。
鉴于此，我们与中国科学院理化技术研究所陈勇研究员合作，受生物系统中嗅觉受体蛋白结构-功能的启发，提出一种AIA（Adhesive-Integrated-Agent）策略（图31），即粘附单元与传感单元整合策略，在一个分子内集成粘附单元与传感单元，同时实现稳定且高灵敏的气体检测。系统的实验和理论研究结果表明，AIA策略显著增强了传感单元与基底的界面粘附强度，同时保证了其优异的气体传感性能。此方法制备的传感阵列在强烈超声、胶带剥离和反复弯曲的测试下，仍然可以保持完整的阵列结构和优异的传感性能。此工作开辟了一种新的分子设计策略用于制备稳定的气体传感器件，相关工作发表在国际杂志Adv. Mater. 2021, 33, 2106067.。
图31. PDMS-Pt-L气体传感器的设计策略
9.全周血循环肿瘤细胞检测实现前列腺癌PSA灰区的高灵敏临床诊断
前列腺癌是男性常患的主要恶性肿瘤之一。前列腺特异性抗原(PSA)已被广泛应用于前列腺癌的早期诊断，在一定程度上降低了前列腺癌患者的死亡几率。对于50-60岁的男性患者，PSA检测在PSA灰色区（即PSA值在4-10 ng mL−1之间），具有较低的敏感性和特异性。良性前列腺增生和前列腺炎常被误诊为前列腺癌，造成过度诊断和治疗，既浪费了大量医疗资源又对病人身心造成极大伤害。在这种情况下，需要再次采用有损伤的穿刺活检来确诊。然而，这种入侵性穿刺活检常常会导致疼痛、出血以及肿瘤扩散。因此，迫切需要开发一种高准确率、无创的方法来早期诊断前列腺癌，尤其是PSA灰区前列腺癌。
近日，我们与北医三院马潞林、张树栋教授团队交叉合作，利用马兰戈尼效应以及混合抗体修饰，制备了循环肿瘤细胞检测芯片，实现了高准确率、非入侵性的诊断PSA灰区的前列腺癌。通过与病人穿刺结果对照，将循环肿瘤细胞检测与PSA血液检测结果（PSA, F/T-PSA, PSAD）相结合，并用机械学习的方法进行数据分析，临床病人诊断的敏感性从PSA检测的58.3%提高到91.7%。该项研究提供了一种非入侵的选择，可以实现高准确率的诊断PSA灰区的前列腺癌病人。相关工作发表在国际杂志Adv. Mater. 2021, 33, 2103999上。
图32. CTC 芯片用于高灵敏、非入侵诊断PSA灰区的前列腺癌的整体思路。根据作为金标准组织活检的结果，PSA测试对于灰区病人展示出了低的敏感性(58.3%)。相比而言，结合CTC检测结果与PSA的结果，并进一步用机械学习分析，发现诊断敏感性提升至91.7%。从而证明该研究方法是组织活检的有益补充。
10.复杂光信号驱动的可编程多自由度游泳驱动器
尺寸在微米到厘米级别的微尺度游泳驱动器，在外界信号（如电场、磁场、化学物质、光等）的刺激下，在液体表面或体相中执行各种游泳运动模式，在能量转换、靶向给药、生物医学工程和环境修复等领域具有广阔的应用前景。光作为一种普遍存在的能源，不仅便于实现空间和时间的控制，还具有远程操控、绿色环保等优点。目前实现的光驱动游动，主要包括三种模式：形变驱动、蒸汽/气泡驱动、基于化学/热Marangoni效应（表面张力梯度驱使液体流动）的表面张力驱动。最初的游泳驱动器相当于只有一个马达，随着光照信号的开关，驱动器做出走和停的相应行为。但如同道路上行驶的汽车一样，要想自由运动，还需要一个控制方向的方向盘，即在平面内多加一个自由度─转动。对于游泳驱动器，转动意味着要对驱动器两侧施加不对称的驱动力。传统方法都是把光束聚焦在驱动器的某一个非中心部位，产生不平衡的推动力来实现转动。但对于微尺度驱动器，要在运动过程中把光亦步亦趋地聚焦于其上的某一个特定点是非常难以维持的。因此，设计一种大光斑全覆盖照射，即在全区域光操控下实现包含平移和转动的多自由度运动可编程游泳驱动器是一个挑战。
我们与中科院力学所合作，通过将不同的波长参数引入光信号，基于波长控制的光热Marangoni效应，在全区域光照下实现了复杂光信号驱动的可编程多自由度游泳驱动器。论文以Programmable Light-Driven Swimming Actuators via Wavelength Signal Switching为题发表于Science Advances期刊。此项工作中制备了不同染料掺杂的聚二甲基硅氧烷作为波长选择性光热单元，在特定波长光的照射下获得非对称的光热模式及表面张力梯度，通过Marangoni效应产生非对称的驱动力实现多自由度运动。该工作实现了双波长驱动的线性进-退运动 (1D) 与左转/右转运动 (2D)，转速可调的顺时针/逆时针方向齿轮旋转运动。此外，结合运用三种不同的光信号（532 nm的绿光、650 nm的红光和连续波长的白光）可使驱动器灵活地穿过复杂迷宫。这些功能性运动模式显示了其在游动任务执行中的应用潜力。
图10. 基于marangoni效应的波长选择性游动驱动示意图
11.水写/电擦制备可重写PEDOT膜
纸张的出现极大地促进了人类文明的发展，同时也导致了严重的资源浪费和环境污染。聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）由于其具有环境友好、生物相容和溶剂诱导变色等特点，在可重写纸方面具有潜在应用。我们与中科院半导体所裴为华研究员合作基于水书写和电擦除制备可重写PEDOT薄膜。首先通过恒电位聚合制备PEDOT薄膜，基于溶剂与PEDOT薄膜之间的相互作用呈现出三种溶剂调制行为。低极性溶剂与PEDOT薄膜无相互作用；中极性/高挥发性溶剂去除亲水性电解质，有助于将水接触角从原始亲水膜 (6.5°) 转换为疏水性可写基材 (146.2°)；高极性溶剂诱导 PEDOT 链中阴离子的去掺杂，导致薄膜颜色由蓝变紫，作为信息书写过程。同时，PEDOT薄膜的本征电化学氧化还原使擦除过程成为可能。以PEDOT膜表面浸润性调控为前提，结合高极性溶剂诱导颜色变化（写入）和电化学氧化还原反应（擦除），实现了可重写的PEDOT薄膜。相关工作发表在国际期刊ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 41220−41230上，如图33。
图33. PEDOT膜上水写/电擦图案。
12.Janus结构与溶剂/热/光协同促进的液相超级光驱动器
智能材料驱动器在软机器人、人工肌肉、发动机和能源转换器等领域具有潜在的应用价值，备受关注。实际上，由于成本低、无线驱动、快速响应等优点，光控人工驱动器更适合实现复杂的驱动行为。含偶氮苯分子的液晶是一种典型的基于反-顺式光异构化的光响应材料。偶氮苯光驱动器的性能已从最初的简单弯曲、扭转，发展到微型机器人和液体输送等新应用。然而，由于光控偶氮苯驱动器的驱动性能有限，目前缺乏实际应用。该研究将反蛋白石结构引入驱动器中，以制备不对称的几何结构，其中反蛋白石的多孔结构与液相有较大的接触面积，有利于液相驱动；基于偶氮液晶分子在厚度方向的梯度取向，实现了不对称的化学组成分布。基于这一设计理念，我们与日本中央大学池田富树教授课题组合作，制备出一种以多畴偶氮苯反蛋白石结构为一侧，单畴偶氮苯聚合物为另一侧的液相Janus偶氮苯聚合膜。基于Janus结构以及溶剂/热/光和聚合物链段之间的相互作用，制备的薄膜在液相中表现出增强的驱动性能（如弯曲角从20.8°增加到808.8°）。Janus结构提供了液相非均质溶胀的潜在驱动趋势，溶剂/热/光效应充分松弛了物理缠结的大分子链，改变了薄膜的力学性能，降低了偶氮苯分子异构化的能垒。该研究还展示了Janus偶氮苯驱动器的潜在应用，如提拉重物、光/热/溶剂驱动液相体系中环的滚动等。这为设计和制备新型偶氮苯驱动器提供了简便易行的方法。研究工作发表在Adv. Funct. Mater. 2021, 2105728，如图34。
图34. Janus偶氮苯光子晶体聚合膜的制备流程和相关表征
13.形状自恢复性能的Janus偶氮苯反蛋白石结构驱动器
我们与日本中央大学池田富树教授课题组合作，在由SiO2光子晶体模板和含有聚乙烯醇取向层玻璃片组成的液晶盒中灌入偶氮苯聚合体系前驱体，光照聚合并去除模板，最终得到一面为偶氮苯光子晶体结构，一面为纯偶氮苯聚合物的Janus偶氮苯反蛋白石结构光子晶体薄膜。当Janus薄膜的聚合物侧被紫外光照射后，薄膜朝向光源弯曲，停止紫外光照，薄膜可以保持弯曲的形状。再用绿光照射，薄膜恢复最初平整的状态。当Janus薄膜的光子晶体侧被紫外光照射时，薄膜远离光源弯曲，停止紫外光照，薄膜瞬间恢复最初平整状态，呈现出形状自恢复性能。制备的Janus薄膜将光化学和光热驱动结合在一起。聚合物侧为光化学驱动，光子晶体侧为光热驱动，在两种类型的驱动协同作用下，实现了Janus薄膜的多重弯曲方向和更大的弯曲角度。Janus薄膜光子晶体侧的形状自恢复性能赋予其在驱动领域潜在的应用，如仿生爬行机器人、拉动轴承和编码技术等。相关工作发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, accept，如图35。
图35. 形状自恢复性能的Janus偶氮苯反蛋白石结构驱动器
14.光驱动偶氮苯分子开关实现无墨水可重写光子晶体纸
可重写纸作为一种环境友好的信息传递方式，在节约能源、促进社会可持续发展方面具有潜在的可能性。近年来，光子晶体已成为可重写纸发展的一个研究热点。但仍存在响应灵敏度慢、循环寿命短、存储稳定性差等缺点，限制了光子晶体PC纸的进一步应用。我们与日本中央大学池田富树教授课题组合作，基于样品在紫外光/可见光照射下可逆转变的结构色/折射率构建了光学可重写光子晶体纸。样品的光照后的具体形貌是1 μm的薄膜层覆盖在4 μm的反蛋白石结构表面。顶部薄膜起到保护层的作用，以避免孔结构的变形；底部的反蛋白石结构具有光照下折射率变化，提供可逆的结构色转变。得到的光子晶体材料通过不同掩膜版可以实现在同一光子晶体材料表面不同图案的制备和擦除，发展为可重写的光子晶体纸张。在同一偶氮苯光子晶体材料表面换不同形状的掩模板在紫外光/可见光的交替照射下制备一系列不同的光子晶体图案。例如，刻画了滑雪的一系列过程和长城，水立方和东方明珠等高分辨率图案。写入和擦除时间仅为2 s，重复性多于100次。研究工作发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 12383−12392，如图36。
图36. 可重写光子晶体纸
15.子宫来源可重构细胞外基质凝胶材料用于子宫修复
在现代社会，不孕不育越来越普遍，严重影响了人们的生活和健康。而现有的生物材料支架结合干细胞治疗在有效恢复子宫方面仍然颇受限制，致使妊娠率和活产率低下。我们与南方医科大学樊俊兵教授和高毅教授合作，通过将子宫来源的细胞外基质和胎盘绒毛膜绒毛间充质干细胞结合，构建了一种基于细胞外基质和间充质干细胞的可重构凝胶材料用于子宫受损恢复，实现了大鼠高效活产。可注射水凝胶材料和凝胶贴片材料的协同修复，严重受损的子宫几乎可实现完全修复，可以和正常老鼠一样，正常怀孕和生产（图37）。研究成果发表在国际顶级期刊Advanced Materials, 2021, DOI: 10.1002/adma. 202106510.
图37. 子宫来源可重构细胞外基质凝胶材料用于子宫修复。
16.基于纳米分形微球的蛋白分离
离子交换多孔微球广泛应用于蛋白分离，然而，完全多孔的结构往往导致蛋白扩散速率慢、分离时间长的问题。针对该问题，我们与中国科学院大连化学物理研究所梁鑫淼、李秀玲研究员合作，通过静电相互作用调控的乳液界面聚合方法，研制了纳米分形微球，实现了对具有相近尺寸的蛋白分子进行捕获、释放和分离。通过改变离子基团之间的静电斥力由弱到强，可以控制纳米分形微球表面纳米结构的生长。在离子交换模式下，实现了对蛋白的高效、快速的分离。利用激光扫描共聚焦显微镜揭示了纳米分形微球对蛋白的快速捕获、释放动力学行为，纳米分形微球提供了离子基团与蛋白之间的三维接触模型，使蛋白在初始捕获和释放阶段能够快速实现扩散，其性能优于传统完全多孔的微球。纳米分形微球为生物医药、环境、食品等领域的生物大分子分离提供了一种有效的材料与分离模型。相关工作发表在Small 2021, 17, 2102802上，如图38。
图38. 基于纳米分形微球的快速蛋白捕获与释放。
17.先进纳米技术用于细胞外囊泡的液体活检
细胞外囊泡（Extracellular vesicles，EVs）是液体活检领域的新型生物标志物，其广泛分布于多种体液中，具备从疾病相关细胞携载物质信息的能力。鉴于其在疾病诊断和治疗中的关键作用，如何实现EVs高效分离、检测和分析是科研工作者持续关注的热点以及难点。
近日，我们联合首都医科大学附属北京友谊医院、北京大学第三医院发表了题为“Advanced Nanotechnologies for Extracellular Vesicle-Based Liquid Biopsy”的综述文章。该文系统介绍了各类分离、检测、分析EVs的先进纳米技术，全面解读了基于EVs不同理化特征的针对性分离策略和新型材料构建思路，重点探讨了EVs相关液体活检领域的关键挑战。
作者总结了基于物理特征、化学亲和力和纳米结构结合化学亲和力的EVs分离纳米技术的重要进展，系统回顾了用于 EVs 检测的高灵敏传感器和用于单个 EV 检测的先进技术，探究了EVs分析在实际临床分析中的应用场景，同时还介绍了机器学习在此领域中的研究进展。作者认为来自材料学家和临床医生的跨学科合作大有可为，EVs相关液体活检技术将会显著优化现有的诊断和治疗流程，可应用于诊断和治疗不同疾病，如癌症、神经病、心血管疾病和妊娠障碍等。相关工作发表在Adv. Sci. 2021, 8, 2102789上，如图39。
图39. 液体活检中的先进EVs检测纳米技术。针对EVs 分离、检测和分析的各种纳米技术已经在多种体液中开发和测试，可应用于诊断和治疗不同疾病，如癌症、神经病、心血管疾病和妊娠障碍。
18.镍钛合金掺镍捕集剂两性水凝胶膜对镍离子的捕获与检测
镍钛(NiTi)合金在生物医学领域具有广泛的应用前景。然而, 细菌的意外聚集和体液对镍钛基的腐蚀医疗器械经常会导致镍离子的泄漏，导致不可避免的过敏和细胞毒性的活动。因此，镍离子的捕获和检测是非常重要的以避免镍钛基医疗器械引起的严重不良反应。
针对该问题，我们与北大口腔医院聂琼教授联合提出了两性离子水凝胶相结合的镍离子捕获策略作为抗菌层和二硫化碳组分作为镍捕集器。一方面，两性离子水凝胶的水化层可以有效抑制细菌粘附，减少镍钛腐蚀引起的镍离子泄漏。另一方面，镍捕集器可以主动捕获镍钛合金中泄漏的镍离子螯合反应。因此，该策略具有很强的抗菌能力吸附和捕捉镍离子，为镍离子的检测提供了潜在的可能性可植入生物医学材料和设备中镍离子泄漏的研究。相关工作发表在Front. Bioeng. Biotechnol. 2021, 9, 698745上，如图40。
图40. 镍钛合金掺镍捕集剂两性水凝胶膜对镍离子的捕获与检测。
19.如何防止微流体通道中的气泡
微流体技术已经引起了广泛的应用，包括分析科学、诊断技术和微/纳米制造。然而，微流体通道中的气泡经常会带来电池损坏、设备故障等不良影响。为了防止气泡,我们与北医三院张树栋教授合作，将数值模拟和实验相结合，揭示影响因素包括通道的内部结构、内部润湿性和液体流速。在一个仿真结果表明，上述方法可以有效地防止气泡的形成因素，其权重可由logistic回归模型提供。此外，还提高了平衡方程能有效地解释这些因素对气泡预防的影响。在另一方面，通过防止气泡的产生，进一步验证了模拟的有效性水流式微通道。因此，本工作为防止气泡提供了一种有前景的策略微通道的形成，在微流体系统中有着广泛的应用。相关工作发表在Langmuir 2021, 37, 2187-2194上，如图41。
图41. 揭示多个因素对气泡形成的影响，如通道的内部结构、内部润湿性和液体流速。
20.受贝壳启发的仿生矿化网具有可大规模制备且坚固的高效油水分离
海上原油的泄漏和工业含油废水的排放，总是给人类健康和生态环境带来极大危害，为解决这些问题，先进的油水分离界面材料受到了广泛关注。然而，这些材料大多仍存在制备工艺复杂、分离效率低、易损坏等缺点。在此，我们与燕山大学谷建民副教授合作，提出了受珍珠层启发的生物矿化具有水下超疏油性的仿生矿化网，其显示出可大规模制备且坚固的高效油水分离。通过简单且快速的提拉浸涂和生物矿化的方法结合，仿生矿化网易于大规模制备。与天然珍珠层相似的化学成分和微纳米结构赋予仿生矿化网良好的机械性能。此外，仿生矿化网仍能抵抗沙子撞击和刀划伤，即使在重复使用50次后依旧维持高油水分离效率（≈99.9%），这可能来自其高硬度和杨氏模量。因此，本研究为高效、稳健的油水分离材料的可扩展开发提供了新的见解。相关工作发表在国际综合性期刊Adv. Mater. Interfaces 2021, 8, 2100852 上，如图42。
图42. 受贝壳启发的可大规模制备的仿生矿化网的合成策略与性能表征