輕工學院王學川教授團隊在生物質(zhì)膠原基質(zhì)醫(yī)用材料等領域取得系列高水平研究成果

近期，我校輕工科學與工程學院（柔性電子學院）王學川教授團隊（生物質(zhì)與功能材料研究所）在生物質(zhì)膠原基質(zhì)醫(yī)用材料、柔性電子傳感材料、生物質(zhì)高值化利用和生態(tài)皮革等領域取得系列研究成果，在國際知名期刊發(fā)表多篇學術論文，為擴寬我校輕工學科內(nèi)涵發(fā)展提供支撐。部分研究成果如下：

1. 制備基于負泊松比超材料的摩擦納米發(fā)電機（Auxetic-TENG），相比常用正泊松比材料可更高效吸收并轉(zhuǎn)化機械能為電能，具有更優(yōu)異的發(fā)電效率和檢測靈敏度。經(jīng)過測試，Auxtic -TENG的開路電壓與傳統(tǒng)的接觸分離TENG相比提高了4倍，功率密度達到4.2 W m?2。應用實驗表明在各種壓縮比和應力條件下，Auxetic-TENG可以保持優(yōu)越的靈敏性和耐用性，突出其作為可穿戴自供電傳感器用于綜合醫(yī)療保健的潛力。相關成果發(fā)表在Advanced Energy Materials（DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202400212）上。通訊作者為陜西科技大學輕工科學與工程學院王學川教授和劉新華副教授, 岳歐陽為本論文的第一作者。

2. 團隊設計了一種超分子組裝策略，以開發(fā)用于水下傳感/通信和泄漏密封的形狀自適應多功能水下導電粘合劑（e-PT/GS）。憑借超分子相互作用，e-PT/GS表現(xiàn)出優(yōu)異的導電性、水下自修復能力、抗溶脹性能以及在各種惡劣環(huán)境（例如，酸、堿、海水和鹽溶液）中的持久粘附。E-PT/GS還表現(xiàn)出預期的形狀適應性，能夠排斥界面水分并填補基底表面的不規(guī)則部分，從而與基底建立緊密且前所未有的適應性接觸。結(jié)合無線設備，e-PT/GS被用于水下密封和現(xiàn)場實時監(jiān)測來自密封點的信號，同時能夠?qū)崿F(xiàn)水下無線通信，并收集穩(wěn)定的ECG信號。相關成果發(fā)表在Nano Today（DOI:10.1016/j.nantod.2024.102282）上。通訊作者為陜西科技大學王學川教授、劉新華副教授，博士生鄒曉亮為本論文的主要完成人及第一作者。

3. 團隊采用簡單的一鍋法，以天然皮膚為基材，并引入甜菜堿、銀納米粒子（AgNPs）、氯化鈉（NaCl）和甘油/水二元溶劑形成的混合液，以納米化方式設計了一種全新的多功能天然皮膚基有機水凝膠電子皮膚（NSD-Gel e-skin）。NSD-Gel e-skin顯示出良好的透明度以及優(yōu)異的拉伸強度（7.33 MPa）、抗穿刺性、保濕性、回濕性和抗菌性。此外，NSD-Gel e-skin具有優(yōu)異的耐寒/耐熱性和刺激反應特性，可以有效地感知環(huán)境溫度或濕度的變化，以及監(jiān)測人體生理/運動信號。體外和體內(nèi)實驗表明，NSD-Gel e-skin具有理想的生物相容性，即使在惡劣的環(huán)境中（-196℃至100℃）也能起到組織保護作用。NSD-Gel e-skin在可穿戴電子設備、人機界面和人工智能等領域具有巨大的應用潛力，為開發(fā)具有按需特性的高性能電子皮膚提供了一個重要平臺。相關成果發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202212856）上。通訊作者為陜西科技大學王學川教授和劉新華副教授以及四川大學郭俊凌教授，博士研究生白忠薛為本論文的第一作者。

4. 團隊利用天然皮膚基有機水凝膠制備了一種單電極摩擦納米發(fā)電機，進而開發(fā)出可用于慢性傷口治療的智能生物電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有生物可吸收性、自供電和無線傳輸功能，可進行持續(xù)性按需藥物治療、納米發(fā)電機自驅(qū)動的傷口電刺激和可視化的實時傷口狀況評估。其中，天然皮膚衍生的有機水凝膠（SGC@MA-Gel）采用簡單的一鍋法制備，主要由天然皮膚、甘油、季銨化殼聚糖、二甲雙胍和腺嘌呤組成。SGC@MA-Gel擁有天然皮膚的層級結(jié)構(gòu)和生物特性，具有膠原蛋白基生物材料的高負載能力，還具備理想的機械強度、粘附性、導電性、抗菌性、按需藥物釋放和人體生理信號監(jiān)測功能。該生物電子系統(tǒng)不僅可提供直接的按需藥物治療和納米發(fā)電機驅(qū)動的傷口電刺激，以促進皮膚傷口快速恢復；還能夠?qū)崟r檢測傷口處的葡萄糖、尿酸和pH等生物標志物，用于傷口可視化診斷和評估。相關成果發(fā)表在Nano Energy上。第一作者為白忠薛博士，通訊作者為王學川教授、劉新華副教授和四川大學陳一寧博士。

5. 團隊報道了一種用于全季節(jié)可穿戴熱管理的具有三明治結(jié)構(gòu)的多功能 Janus天然皮膚。這種Janus型天然皮膚在無需額外能量輸入的情況下便可在冷卻和加熱模式之間自由轉(zhuǎn)換。此外，優(yōu)異的非對稱潤濕性、阻燃性、導電性、焦耳加熱、電磁屏蔽干擾和生理信號監(jiān)測等多種附屬功能也極大程度增加了其對復雜環(huán)境的適應性。在全季節(jié)可穿戴熱管理、低碳出行和節(jié)能建筑家具領域表現(xiàn)出廣闊的應用潛力及前景。相關成果發(fā)表在Composites Part B（DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111573）上。陜西科技大學博士生謝龍為本論文的第一作者。通訊作者為陜西科技大學王學川教授、劉新華副教授、岳歐陽博士后。

6. 團隊設計合成多功能熒光兩性聚合物（簡稱pADD-DMENA），開發(fā)了生態(tài)有機無鉻皮革制造的顛覆性“三位一體”策略。pADD-DMENA表現(xiàn)出優(yōu)異的復鞣、加脂和染色性能，柔軟度為8.5 mm，增厚率為40%，抗張強度為19.77 MPa，撕裂強度為59.40 N/mm。且與傳統(tǒng)陰離子染色皮革相比，pADD-DMENA染色皮革表面呈現(xiàn)均勻的亮黃色，并且具有優(yōu)異的耐光性、耐久性和耐洗性。此外，其熒光本體能夠?qū)ε鞲锖臀鬯械膒ADD-DMENA進行視覺跟蹤，從而可以實時監(jiān)測pADD-DMENA的精確分布。綜上所述，pADD-DMENA的開發(fā)可以一步完成傳統(tǒng)的濕整理工藝，有效節(jié)省工藝時間，減少各種化學品的添加11.2%，并表現(xiàn)出更好的廢水降解性（BOD5/COD為0.35）。這一創(chuàng)新策略為生態(tài)皮革制造向低能耗、少污染的綠色方向拓寬了道路。相關成果發(fā)表在Green Chemistry（DOI: 10.1039/D3GC01446K）上。陜西科技大學博士研究生魏超為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學輕工科學與工程學院王學川教授和劉新華副教授。

7. 團隊強濤濤教授成功開發(fā)了一種生態(tài)復鞣劑，該劑利用皮革固體廢料，將含鉻皮革屑水解為低分子量的明膠多肽，并與金屬離子（如Zr4+和Al3+）形成復鞣劑。該復鞣劑能夠與膠原纖維形成多點交聯(lián)，從而顯著提升復鞣皮革的機械性能，并有效去除游離甲醛。此外，金屬離子的參與還增強了皮革對染料和加脂劑的吸收能力，減少了醛鞣皮革的潛在危害與廢水排放，對清潔后鞣制過程具有重要意義。強濤濤教授還研發(fā)了一種可按需調(diào)節(jié)和廢水回收的黃腐酸基無鉻鞣劑，成功實現(xiàn)了鞣染一體化的創(chuàng)新策略。該新型無鉻鞣劑（MFAA）是基于風化煤提取的腐殖酸與鋁離子的結(jié)合，能夠與皮革膠原纖維形成穩(wěn)定的交聯(lián)效果，并具備原位染色能力。同時，該方法還能夠提取鞣制廢水中的殘留鋁，回收的腐殖酸可作為水稻種子的發(fā)芽劑。這一新型鞣染一體化方法為皮革行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的解決方案，標志著無鉻鞣劑研究的又一重要里程碑。相關成果已發(fā)表在Chemical Engineering Journal, 2024, 482, 148892；International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 261, 129922。

8. 團隊王學川教授、黨旭崗副教授報道了一種羧甲基纖維素和單寧酸/鐵離子絡合物(TA@Fe3+)組成的具有快速自組裝和可調(diào)交聯(lián)時間的堅固、粘接、自修復、可注射、抗菌、近紅外(NIR)光熱響應、生物相容性和導電的水凝膠(CPPFe@TA)，在生理信號監(jiān)測和康復運動管理等皮膚生物電子學領域具有廣闊的應用前景。相關工作被發(fā)表在國際材料領域的頂級期刊Advanced Functional Materials, 2024, 2405745。

9. 團隊官小玉副教授等人受金屬離子先充分滲透然后與水凝膠的功能基團有效結(jié)合的皮革礦物鞣制機理啟發(fā)，成功構(gòu)建了一系列金屬離子配位水凝膠，與傳統(tǒng)的制備方法相比，其力學性能有顯著提高，強韌性金屬離子配位水凝膠在柔性電子地板、關節(jié)運動、扁平足矯正等領域具有潛在的應用前景。相關研究成果發(fā)表在Advanced Functional Materials, 2024, 2313633，Chemical Engineering Journal, 2024, 489, 151353，ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, 16, 5168期刊上。此外，官小玉副教授等人還通過傳統(tǒng)的鞣制工藝，成功構(gòu)建了具有眾多納米/微通道、豐富的含氧官能團、優(yōu)異的物理化學穩(wěn)定性、柔韌性和生物相容性的天然皮革基蒸發(fā)器，有望從水蒸發(fā)中獲取可持續(xù)的綠色能源，在發(fā)電、海水淡化和柔性自供電傳感地板等領域具有廣泛的應用前景。相關研究成果發(fā)表在Journal of Energy Chemistry, 2024, 96, 129。

10. 團隊張慧潔副教授等報道了通過氫鍵增強的明膠-丙烯酸共聚物水凝膠中的丙烯酸共聚物的甲基含量對水凝膠的結(jié)構(gòu)性能影響。研究表明，隨著甲基含量的增加，水凝膠的結(jié)構(gòu)逐漸由交聯(lián)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p連續(xù)相的相分離結(jié)構(gòu)以及多分散尺度的相分離結(jié)構(gòu)。含相同結(jié)構(gòu)的水凝膠具有相似的黏彈性行為。其中，含雙連續(xù)相的水凝膠具有最優(yōu)異的力學性能，其斷裂應力可達近10 MPa，顯著高于其他已報道的明膠基水凝膠的力學強度。該成果發(fā)表在自然指數(shù)期刊Macromolecules, 2022, 55 (17), 7401-7410。

11. 利用含鉻革屑制備含鉻電催化劑，不僅能消除污染，還符合循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的要求。近日，團隊成員韓慶鑫副教授等人利用鉻革屑膠原纖維表面官能團在熱解過程中固定釕原子，制備了一種全pH范圍內(nèi)析氫反應的電催化劑，相關成果發(fā)表在材料科學領域的領導性期刊Materials Horizons 上（Mater. Horiz., 2024, 23, 17158-17165）。

12. 團隊朱興副教授圍繞可持續(xù)催化領域已于近兩年發(fā)表多篇中科院1區(qū)成果，如International Journal Biological Macromolecules, 2024, 273, 132928; Nano Research, 2024, 17, 7027; Cellulose, 2024, 10.1007/s10570-024-06165-4; Chemical Engineering Journal, 2023, 463: 142407; Green Chemistry, 2023, 25: 9926; Journal of Environmental Management, 2023, 332: 117370; Renewable Energy, 2023, 205: 525等。近期，朱興副教授等人依托生物催化與轉(zhuǎn)化技術制備了一種新型仿生人工葉片。實現(xiàn)了葉片仿生氣孔的可控開合、固碳速率可控調(diào)節(jié)、生態(tài)友好、生物固碳途徑可設計等諸多功能。該工作發(fā)表在Nature Communications上（Nat Commun, 2024, 15(1): 4898）。

（核稿：劉國棟 編輯：趙誠）