近期，交大科研人员在连续纤维复合材料4D打印、“激光切水”、高压宽温水系超级电容器、柔性有机场效应晶体管智能突触器件、“最佳性价比”光热/化学动力/双药化疗程序化协同治疗肿瘤等方面接连取得研究新进展。
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目录
●西安交大科研团队在连续纤维复合材料4D打印研究方面取得新进展
● 西安交大生命学院科研团队提出“激光切水”的新策略
● 西安交大科研团队在高压宽温水系超级电容器研究方面取得新进展
● 西安交大科研人员在柔性有机场效应晶体管智能突触器件领域取得重要进展
● 西安交大科研人员利用“最佳性价比”光热/化学动力/双药化疗程序化协同治疗肿瘤取得重要进展
西安交大科研团队在连续纤维复合材料
4D打印研究方面取得新进展
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研究背景
4D打印结构能够在外界刺激下产生可编程的形状及性能变化，因而在航空航天、软体机器人、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。然而，当前的4D打印结构通常无法兼顾大变形能力和力学承载能力，无法实现多功能融合。
研究成果
针对上述问题，西安交通大学科研团队取得了以下成果。
成果一
西安交通大学科研团队利用液晶弹性体的可逆热致伸缩变形能力，结合连续纤维材料的优异力学性能，提出一种基于连续纤维增强液晶弹性体的直写4D打印方法，液晶弹性体复合材料内部嵌入的连续纤维起到了显著增强力学性能以及实现弯曲变形效果的作用。
该打印方法能够通过调控纤维在复合材料丝材内部的偏置位置实现打印结构可控的承载特性及变形形态。打印的液晶复合材料可以承受高达其自身重量2805倍的载荷，并在150 ℃条件下实现0.33 mm-1的弯曲曲率。利用这一工艺制备了具有承载能力以及变形能力的复合材料桁架结构，解决了传统4D打印结构力学承载性能差的难题。
图1 连续纤维增强液晶弹性体复合材料4D打印
发表期刊
《自然通讯》(Nature Communications)
论文题目
《具有可编程空间变形能力的可控偏置连续纤维/液晶弹性体复合材料4D打印》
(Programmable Spatial Deformation by Controllable Off-center Freestanding 4D Printing of Continuous Fiber Reinforced Liquid Crystal Elastomer Composites)
论文作者
西安交通大学博士生王清瑞，田小永教授为唯一通讯作者，论文作者还有李涤尘教授、博士生张道康、硕士生周艳丽，西安交通大学为唯一完成单位。
成果二
连续碳纤维具有良好的导电导热性能和极低的热膨胀系数，研究团队利用与其树脂基体的热膨胀系数差异明显，提出了一种基于连续碳纤维的热变形可调谐超表面的设计与4D打印方法，通过连续纤维复合材料手性结构设计，将复合材料和热塑性树脂分区沉积成形，基于理论计算、有限元分析和实验揭示了结构参数对热变形和电磁频率控制的影响规律。所制备超表面结构的最大热膨胀系数测量值达到了1333×10-6K-1，实现了等效热变形前后的超表面对-1 dB电磁波透射频段28.1%的偏移，该方法为空间天线结构在轨电磁性能调控提供了一个新思路。
图2 连续纤维复合材料可调谐超表面4D打印
发表期刊
《虚拟与物理原型》
(Virtual and Physical Prototyping)
论文题目
《4D打印连续纤维热控超表面》
(4D printed thermally tunable metasurface with continuous carbon fiber)
论文作者
西安交通大学博士生康友伟，田小永教授为唯一通讯作者，论文作者还有西安交通大学李涤尘教授、吴玲玲副教授，航天五院西安分院马小飞研究员等。
论文研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、西安交大青年拔尖人才支持计划，以及西安交大分析测试中心的大力支持。研究团队在连续纤维增强复合材料3D/4D打印开展深入研究与应用推广，2020年支撑了我国首次也是国际首次太空3D打印实验，通过创新创业、校企联合，开发连续纤维3D打印工艺装备，推动复合材料增材制造技术的产学研用深度融合发展。
西安交大生命学院科研团队
提出“激光切水”的新策略
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发表期刊
《自然通讯》（Nature Communications）
研究背景
水是人们赖以生存的自然资源，应用于众多领域。近些年，微量水的图案化和流动控制在材料科学、化学、生物医学等领域引起广泛关注。目前，控制微量水形貌和流动的主要手段是预先加工固体通道，但由于水的无序性和流动性，精准加工水仍存在挑战。
研究成果
针对以上问题，西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所（BEBC）采用激光加工技术，并通过调节水的流动性和表面张力特性实现了“激光切水”的想法。首先，用疏水性的SiO2纳米颗粒包覆在水的表面构建了厚度为亚毫米级的水饼，随后用激光对该水饼实施切割，成功实现了“激光切水”的构想，并制造出了多种“水图案”（图1）。
图1.(a)制备SiO2纳米颗粒包覆的水饼和激光切割水饼的操作程序，(b)激光切割水饼制造的各种“水图案”。
包覆有疏水性SiO2纳米颗粒的水饼可被激光切割的原因主要有两个：第一，水饼表面的SiO2纳米颗粒对波长为10.6mm的红外激光具有较强吸收。激光照射后，SiO2纳米颗粒吸收激光能量将其转换为热量用于水的汽化；第二，当局部的水被汽化后，水的流动会带动表面的SiO2纳米颗粒进一步将暴露的水面覆盖，进而阻止了水的愈合过程（图2a,b）。为阐述激光切割包裹SiO2纳米颗粒水饼的物理过程，通过理论分析和数学模拟对激光切水过程中涉及到的传热和液体流动进行了分析，发现水饼的厚度是影响激光切水过程的重要因素，包括消耗的时间、所需的激光功率和加工的精度（图2c, d）。并通过实验探究了水的体积对水饼面积、水饼厚度对切割可行性及水饼厚度、激光扫描速度对加工精度等影响，得到了优化后“激光切水”的实验参数。
图2.(a)激光切割SiO2纳米颗粒包裹水饼的示意图，(b)激光切割水饼的过程中液体流动的示意图，(c)激光照射点周围SiO2纳米颗粒的温度随时间和位置的变化趋势，(d)激光切割水饼的过程中水的形貌变化和温度扩散。
之后，他们应用激光切割机成功加工出包括十字交叉通道、分散型通道、阵列型通道、弯曲通道、集成型通道、螺旋通道等常用的微流控芯片（图3）。并且，激光切水加工的微流控芯片精度可达350mm（图3c），证实了“激光切水”加工复杂微流控结构的能力。
图3.(a)利用激光切割SiO2纳米颗粒包覆的水饼制造微流控芯片的动态过程，(b)十字交叉型芯片，(c)分散型芯片及局部放大图，(d)放射型芯片，(e)液滴阵列型芯片，(f)单弯曲通道型芯片，(g)集成型芯片，(h)弯曲通道阵列型芯片，(i)螺旋型芯片。
应用“激光切水”加工的微流控芯片和液滴进行了包括液体泵送、阀、液体混合、液体梯度稀释和分段溶液构建等液体操控，证实了制备的自支撑微流控芯片和液滴的液体操控功能（图4a, b）；基于加工的微流控芯片的开放性，以其为小型化反应平台实现了铜氨络合反应（图4c）；基于微流控芯片的透光性，将其开发为生化传感的微反应器和比色检测平台，用于金属离子、蛋白质、尿素和核酸等生物标志物的检测（图4d-f）；最后，将加工的微流控芯片作为图案化的模具，实现了液态金属的电动操控和图案化水凝胶的合成（图4g），并作为药物梯度稀释和细胞培养平台（图4h）。
图4.（a）液滴内的液体混合，（b）利用加工的微流控芯片实施液体梯度稀释，（c）利用加工的微流控芯片演示铜氨络合反应，（d）利用加工的微流控芯片实施蛋白质、尿素和pH检测，（e）利用加工的微流控芯片实施金属离子检测，（f）利用加工的微流控芯片实施基于合成生物学的核酸传感，（g）利用加工的微流控芯片作为合成图案化水凝胶的模具及其应用演示，（h）加工的微流控芯片作为药物梯度稀释和细胞培养平台用于药物筛查。
该工作创新性地提出了一种通过激光切割加工水的策略，通过束缚水的流动解决了精确加工水的难题，并通过理论分析、计算机模拟和实验探究对这一策略背后的机理进行了详细分析。在应用层面上，通过激光切割水制备的微流控芯片具有开放、透明、透气等特点，在化学、健康、材料科学和生物医学等众多应用领域展示出应用潜力。
论文题目
《基于切割纳米颗粒包裹水饼的激光加工水》（Machining water through laser cutting of nanoparticle-encased water pancakes）
论文作者
文章通讯作者为西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所李菲教授和西北工业大学理学院李晓光副教授，第一作者为西安交通大学生命科学与技术学院博士生牛纪成，共同作者包括西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所徐峰教授、李心泽、刘禹霖、张超、岳可仰、周玉琳同学等，西安交通大学生命科学与技术学院为该论文的第一和通讯作者单位。
该工作得到了陕西省杰出青年科学基金项目、陕西省重点研发计划和西安交通大学青年拔尖人才和创新团队等项目的资助。
西安交大科研团队在高压宽温水系
超级电容器研究方面取得新进展
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发表期刊
《材料化学杂志A》
（Journal of Materials Chemistry A）
研究背景
非水系超级电容器(SCs)由于其宽工作电压，已成为便携式电子器件和新能源汽车应用的主要储能设备。然而，由于其安全性、高经济成本和对环境不友好等缺点阻碍了其进一步发展。水系超级电容器因其电解液具有低成本、高离子电导率、安全、环保等优点，成为非水系电解液的良好替代。但水系电解液有限的电化学稳定窗口（1.23 V）限制了它们的规模化应用。为此，研究者通过使用盐包水（WIS）电解液来减少溶剂化鞘层中的水分子，从而扩宽水系电解液的电化学稳定窗口。然而，使用这种高成本和高粘度的WIS电解液不可避免地牺牲了水系超级电容器的高功率特性和循环寿命。因此，开发一种宽电压、低成本、高性能的水系电解液已迫在眉睫。
研究成果
鉴于此，西安交通大学化学学院杜显锋教授和熊礼龙副教授团队，与西安交通大学化学学院苏亚琼研究员团队提出了一种低盐浓度(1 m Na2SO4)水系电解液，可实现3.2 V的高工作电压。这种电解液是以乙二醇（EG）作为添加剂与阳离子配位来抑制水分子在电极表面的分解。苏亚琼研究员团队借助超级计算设备，采用密度泛函理论(DFT)模型对电解质的溶剂化结构进行了理论模拟，表明EG在电极表面的吸附能力优于水分子，这一结果进一步证明，EG的添加不仅降低了电极表面的水分子含量，而且提高了电解液的电化学稳定窗口。以此电解液组装的器件在3.2 V工作电压下，循环10,000次后库仑效率高达95%，容量保持率接近100%。得益于EG的低冰点，组装的器件在-40℃下，容量保持率仅减少5%。
此外，由于EG的高沸点，即使在90℃的高温下，经过10000次循环后，容量保持率高达90%以上。本研究为进一步扩大低浓度水系电解液的电化学稳定窗口提供策略，并有望从推动高工作电压、宽温度、低成本、高安全性的水系电解液进入实际应用的角度取代商业有机电解液。
论文题目
《超高压水系电解液用于宽温超级电容器》（Ultrahigh-voltage aqueous electrolyte for wide-temperature supercapacitors）
论文作者
该论文第一作者为西安交通大学化学学院博士研究生黄珊，共同第一作者为西安交通大学化学学院博士研究生李卓、科研助理黎鹏，通讯作者为西安交通大学化学学院杜显锋教授、苏亚琼研究员、熊礼龙副教授。西安交通大学为唯一通讯单位。该研究工作是西安交通大学化学学院杜显锋教授课题组在超级电容器领域的又一研究成果，并且获得国家自然科学基金和陕西省自然科学基金重点项目的支持。论文的计算方面得到了苏亚琼研究员团队的大力支持。
团队信息
西安交通大学化学学院杜显锋教授和熊礼龙副教授团队长期从事电解电容器、锂（钠）离子电池、铝离子电池、超级电容器、柔性可穿戴传感器的电极材料、电介质、电解质、固体化、柔性化、一体化等研究。目前已在Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A, Carbon, ACS Appl. Mater. Inter., Adv. Mater., Inorg. Chem. Front., J. Am. Ceram. Soc.等国际知名学术期刊和国际会议上发表相关研究论文60余篇，申请发明专利近50项。西安交通大学化学学院计算化学平台负责人苏亚琼研究员主要致力于电子转移理论和界面化学以及光电能源催化和单/多原子催化理论研究，目前已在Science, Nature Comm., PNAS, JACS, Angew, ACS Catal.等国际期刊上发表文章130余篇。
杜显锋教授课题组主页
西安交大科研人员在柔性有机场效应晶体管
智能突触器件领域取得重要进展
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发表期刊
《先进材料》（Advanced Materials）
研究背景
冯诺依曼架构和摩尔定律发展的瓶颈降低了其对大量非结构化数据（图像和音频等）的处理效率。在生物物种中，光遗传学和生物成像共同调节神经元的功能。因此，受到人脑架构的启发，利用智能突触器件的可塑性原理实现新型神经形态计算可以提高计算速度，模拟人脑学习和视觉成像等功能。然而，目前报道的光电突触特性主要用于模拟简单的生物功能和单一波长光响应。因此，开发多波长光响应和多功能的柔性突触晶体管仍然面临挑战。
研究成果
西安交通大学前沿院鲁广昊教授团队报道了一种具备多波长响应和多功能突触可塑性的柔性有机场效应智能突触晶体管。该研究通过在绝缘层和有机半导体层中间引入氧化铝（AlOX）纳米粒子进一步提高了光生激子的分离效率，从而增强了晶体管的光学突触可塑性（图1）。
此外，通过优化AlOX的厚度，可以同时实现光电突触可塑性功能。在此基础上，该研究不仅展示了基本的电突触可塑性，包括兴奋性突触后电流（EPSC）、抑制性突触后电流（IPSC）、脉冲数量和时间依赖可塑性、多波长光响应突触可塑性（红光625 nm、绿光525 nm、紫外光365 nm）等功能，而且成功模拟了紫外光诱导的皮肤晒伤功能（图2），进一步提出了光电脉冲协同调节的学习效率模型。通过神经网络训练进一步实现了手写数字的高准确率识别，“鹿”图像学习和记忆功能也被成功模拟。这项工作为提高突触器件的光学响应和促进多功能神经形态计算系统的发展提供了有效策略。
图1 柔性智能突触晶体管的结构和光突触可塑性增强的机理图
图2 利用该器件模拟的不同程度皮肤晒伤功能模型
论文题目
《增强的多波长响应柔性突触晶体管用于人类皮肤晒伤模拟和神经计算》
(Enhanced Multi-wavelength Response of Flexible Synaptic Transistors for Human Sunburned Skin Simulation and Neuromorphic Computation)
论文作者
论文第一单位为西安交通大学前沿科学技术研究院与电力设备电气绝缘国家重点实验室，第一作者为西安交通大学前沿院博士生王欣，鲁广昊教授为本论文通讯作者。
该工作得到了国家自然科学基金、陕西省重点科技创新计划等项目的资助，并得到西安交通大学分析测试共享中心的支持。
西安交大科研人员利用
“最佳性价比”光热/化学动力/双药化疗程序化
协同治疗肿瘤取得重要进展
发表期刊
《美国化学会·纳米》
（ACS Nano, IF=17.1）
研究背景
恶性肿瘤严重威胁人类生命健康安全，为了攻克这一难题，人们开发了一系列肿瘤治疗方法。包括传统的化疗、放疗和新兴的光热疗、化学动力学治疗、免疫治疗、饥饿治疗等。其中光热疗强度高、短期疗效好，但治疗时间短（分钟级）、对深部肿瘤疗效并不显著；化学动力学治疗具有中等的作用时间（小时级），但是单独使用效率有限；化疗持续作用时间超长（可超过48小时），但存在短期疗效差、肿瘤耐药且毒副作用大等缺点。
因此单独的肿瘤治疗方法往往不能达到满意的治疗效果，而将多种治疗方法联合使用可以充分发挥各自的优势，不同方法取长补短能得到更好的治疗效果。但是如何使联合治疗达到最佳效果和最低付出则成为一个难题，目前的联合治疗大多仅是不同疗法的简单加和，未能充分发挥联合治疗的作用，不能做到以最低的功率和剂量达到最佳的治疗效果（即最佳性价比：Cost-effective）。在治疗时间的控制上，也未能根据各种疗法的特点进行优化。
研究成果
针对上述问题，西安交大生命学院生物医学影像与应用研究所的吴道澄教授课题组提出了一种“最佳性价比”的光热/化学动力学/化疗程序化肿瘤协同治疗新方法，以最低的功率和剂量最大化地实现了治疗效果并大幅减少治疗副作用。这种疗法按照时间顺序将光热疗、化学动力学治疗和协同双药化疗三种治疗方式进行了程序化的组合（见图1）。
根据肿瘤的状态或体积对每种治疗方式的时间和强度进行了优化并使其按时间顺序分别作用。具体的最优协同治疗策略为：首先进行10分钟高强度光热疗以消除较大的肿瘤，接着进行持续数小时的中等强度化学动力学治疗以消除中等大小的肿瘤，最后通过低强度但持续超过48小时的协同双药化疗清除较小的残余肿瘤并抑制复发。
图1 光热/化学动力学/化疗程序化肿瘤协同治疗策略
为了实现该策略，课题组研究人员针对PC-3肿瘤模型设计了集成高光热转换效率治疗剂配位聚多巴胺（PDA-Fe）、化学动力学治疗剂CuO2和协同化疗剂阿霉素-棉酚无限配位聚合物（ICPs）的联合治疗系统（ICPs@PDA:CuO2NPs）。该系统内部是PDA-Fe和CuO2混合物、外部是阿霉素-棉酚无限配位聚合物，具有高达52.4%的光热转换效率，能够在肿瘤细胞内特异性地生自由基进行化学动力学治疗并清除谷胱甘肽，所负载的ICPs能够在肿瘤细胞内释放出两种作用机理不同的化疗药物（图2）。
该系统使光热疗、化学动力学治疗和化疗在不同时间分别起作用，实现了优异的协同效应，用最低的功率和最小的药物剂量实现了近100％的肿瘤抑制效果，小鼠肿瘤在接受治疗后的60天内未复发。该光热/化学动力学/化疗协同疗法具有程序化可设计的特点，一旦启动自动执行，还可以根据需要对系统中不同治疗剂的比例及治疗方案进行相应的调节，针对不同肿瘤采用不同程序化三模态的治疗策略，实现精准个性化的治疗。
图2 ICPs@PDA:CuO2NPs的合成与肿瘤治疗示意图
论文题目
《阿霉素-棉酚无限配位聚合物聚多巴胺-过氧化铜复合纳米粒子用于“最佳性价比”程序化光热-化学动力学-双药协同化疗三模式协同肿瘤治疗》
(Doxorubicin-Fe(III)-Gossypol Infinite Coordination Polymer@PDA:CuO2Composite Nanoparticles for Cost-Effective Programmed Photothermal-Chemodynamic-Coordinated Dual Drug Chemotherapy Trimodal Synergistic Tumor Therapy）
论文作者
文章第一作者为西安交通大学生命学院博士生朱红瑞，西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室和生命学院为该论文的第一和通讯作者单位，吴道澄教授为唯一通讯作者。该研究成果是吴道澄教授课题组在肿瘤联合治疗领域的又一重要进展。
该工作得到了国家自然科学基金、国家重大科学仪器设备项目和陕西省重点研发计划项目的资助。西安交通大学分析测试中心和生物医学实验中心为本工作提供了大量研究支持。
来源：西安交通大学
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