2016年度化工学院科研成果及研究进展展示之二: 先进纳微结构材料实验室科研团队

来源:betway必威官网手机版 时间:2017-01-03阅读次数:2

2016年度化工学院科研成果及研究进展展示之二:

先进纳微结构材料实验室科研团队


1、建立了基于材料基因组学的新型多孔材料理论设计平台

传统上,新材料的开发主要依赖于研究者的科学直觉和昂贵的“试错法”实验,其往往导致新材料从初始研究到实际应用需要耗费漫长的时间周期,已难以满足当今技术进步和产业快速发展的需求。在认识到此问题后,将材料基因组学思想引入到新材料的研发中,已成为目前的一种发展趋势。除了欧美国家之外,我国科技部于今年启动的国家重点研发计划中,也将《材料基因工程关键技术与支撑平台》列入“十三五”重点专项。这些战略计划旨在通过发展和完善材料数据库、发展高通量材料计算和筛选工具,实现由“经验指导实验”向“理论预测、实验验证”的材料研究新模式转变,进而通过高通量理论计算达到先进材料“按需设计”的目标。经过长期基于材料基因组学的新材料设计研究,本团队在近期完成了用于纳米多孔材料结构构筑的“基于材料基因学的纳米多孔材料高通量构筑软件MGPNM”(英文名称:Materials-Genomics-Based High-Throughput Construction Program for Nanoporous Materials)和材料性能快速估算的“高通量吸附与扩散分子模拟软件HT-CADSS”(英文名称:High-Throughput-based Complex Adsorption and Diffusion Simulation Suite)的研发,并已获得国家版权局颁发的计算机软件著作权登记证书。该两件具有自主知识产权的软件的研发成功,标志着本团队在基于材料基因组学的新材料设计方面,取得了阶段性的重大进展,为进一步的新材料设计与合成,提供了坚实的基础。


国家版权局核发的原始产权计算机软件登记证书


2、基于结构重整思想,提出了一种制备COF超薄膜的新方法

气体膜分离技术是一种新兴的高效节能分离技术,其核心在于功能分离层材料的选择。对于工业中广泛应用的聚合物膜,存在着渗透选择性和渗透通量相互制约的关系,阻碍了其进一步的发展。为此,要想使膜分离技术的分离效率获得突破,关键在于膜材料的化学性质和孔道结构调控,因而高效膜分离材料的研制为一重要研究方向。目前,从实际应用的角度考虑出发,寻求具有规整孔道的超薄膜材料,已为膜分离领域的一个研究热点,由于该类材料对分子传递具有较薄的阻碍层,可兼具高通量和高分离选择的特点。二维共价有机骨架材料(covalent organic frameworks, COFs)是近年来出现的一类具有层状结构的新型多孔纳米材料,其不仅具有高比表面积与孔隙率、优良的结构可调控性,而且其片层具有规整的孔道结构和分布,在储气、分离、催化等方面具有良好的应用前景。尽管各种各样的COF材料已被大量报道,但是将其制备成超薄膜分离材料,至今还几乎未见报道。本团队在前期的理论研究中基于“结构重整”思想,通过对2D-COFs的纳米片层进行适当的重新堆叠,发现可以调控膜内的通道微环境,并且所设计出的超薄膜具有非常优异的分离性能。在此思想的指导下,我们提出了一种氧化石墨烯(GO)纳米片协助制备COF超薄膜的新方法。通过研磨、超声剥离获得COF纳米片的分散液,并加入少量的GO纳米片,利用GO纳米片的多功能团而具有的易成膜性能,采用真空抽滤的方法,制备出厚度仅有100 nm,210 nm,290 nm的3种超薄膜。渗透实验结果表明,制备出的COF超薄膜对H2/CO2体系的分离,具有超高的渗透通量以及仅次于分子筛效应的分离选择性。本工作所建立的方法对其他材料超薄膜的开发将具有借鉴意义。相关研究成果发表在《材料化学》期刊上(J. Mater. Chem. A, 2016, 4: 13444)。


2D-COF超薄分离膜的设计策略、制备及其H2/CO2分离性能


3、开发出了一种基于MOF材料的新型抗癌载药系统

作为临床化疗常用的抗癌药物,5-氟尿嘧啶(5-FU)常以游离药物形式通过静脉注射或静脉滴注给药。由于此药物分子靶向目标定位性差,血浆半衰期极短,需频繁给药,导致毒副作用大。近年来,将5-FU包裹于不同载体材料中制成纳米粒,形成一种新的药物释放体系来降低其毒副作用已成为研究热点。与一般药物控释载体相比,金属-有机骨架材料(MOFs)的优势明显,将其颗粒尺寸降至纳米级后性能更为优异,能同时兼顾药物负载量、目标靶向性、表面特性改善和生物相容性等特性,然而这方面的研究尚处于刚刚起步的阶段,其本身的毒理学性质及在体内外的行为也极其缺乏相关研究。作为MOF类材料中的一种,ZIF材料具有良好生物相容性和超高的比表面积等特色。本团队通过与北京大学药学院张强教授课题组合作,利用ZIF-8巨大的比表面积来装载药物分子氟尿嘧啶,开发出一种新型载药系统:5-Fu@ZIF,其载药量可高达21%,明显优于传统制剂的载药量(<10%),并且与游离药物相比,制剂摄取量显著增加 表明载体材料可以有效促进药物的入胞。通过流式细胞技术及电子显微镜观察,发现此纳米粒子对生物膜具有较强的粘附能力,与细胞共孵育后超过60%的粒子会附着在细胞膜表面,若在高剂量下则会诱导膜损伤,产生大量ROS产生细胞毒理作用。在动物模型中发现载药纳米粒进入小鼠体内后具有肺部靶向能力,静脉注射一周后肺组织内的纳米粒含量仍维持在50%以上,在肺癌的治疗领域具有巨大潜力。基于此建立了荷瘤小鼠肺转移模型,发现给药后纳米粒迅速聚集在肺部并粘附于病灶表面,继而响应肿瘤的微酸性环境在4 h内释放出超过80%的药物分子,迅速杀伤肿瘤细胞实现治疗效果,研究结果表明经过5-Fu@ZIF治疗后小鼠肺部肿瘤的生长明显受到抑制,动物生存率由12.5%上升至75%。本工作为后续其他同类材料的毒理学研究提供了良好的方法学基础,对相关材料作为载体在药物传递系统中的研究提供了一定的指导和借鉴。相关研究成果发表在《先进功能材料》期刊上(Adv. Funct. Mater., 2016, 26: 2715)。


作为药物载体的纳米ZIF材料