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唐本忠院士/深大韓婷/廣工陳樹(shù)生 AFM：基于AIEgen的功能高分子微米材料
2023-09-11  來(lái)源：高分子科技

  在分子和宏觀物質(zhì)之間，存在著由多個(gè)單一實(shí)體組成的介觀維度的聚集體。作為一群相互作用的分子的集合，聚集體常常表現(xiàn)出與其單一分子迥然不同的性質(zhì)和功能。近期，唐本忠院士團(tuán)隊(duì)提出了“聚集體科學(xué)”的概念來(lái)填補(bǔ)分子和宏觀物質(zhì)之間的空白，相關(guān)研究對(duì)于聚集體的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系建立以及新材料和技術(shù)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。聚集體的性質(zhì)和行為受到其尺寸的強(qiáng)烈影響，這是它們與分子材料的顯著區(qū)別。目前具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）性質(zhì)的熒光納米材料研究已取得顯著進(jìn)展，然而，尺寸在0.1~1000微米范圍的AIE微米材料的研究發(fā)展仍相對(duì)緩慢。在各種介觀聚集體材料中，高分子微米材料具有比表面積高、結(jié)構(gòu)多樣、制造靈活、易操作等優(yōu)點(diǎn)，是聚集誘導(dǎo)發(fā)光分子（AIEgen）的優(yōu)良載體，也是聚集體科學(xué)研究的良好平臺(tái)。近年來(lái)，基于AIEgen的高分子微米材料在環(huán)境傳感、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、多色顯示、光動(dòng)力治療、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。


  近日，香港中文大學(xué)（深圳）唐本忠院士、深圳大學(xué)AIE研究中心韓婷副教授和廣東工業(yè)大學(xué)陳樹(shù)生特聘副教授系統(tǒng)綜述了基于AIEgen的功能聚合物微米材料的最新研究進(jìn)展，總結(jié)了基于AIEgen的聚合物微米材料的設(shè)計(jì)策略、制備方法、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，并將此類材料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為微球、微纖維和其他形狀微米粒子三類來(lái)進(jìn)行介紹。最后，作者對(duì)該研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和前景進(jìn)行了展望，該綜述對(duì)基于AIEgen的高分子微米材料的發(fā)展提供了較為全面的總結(jié)和介紹，并對(duì)該領(lǐng)域的未來(lái)研究提供了有價(jià)值的見(jiàn)解。 


圖1. 基于AIEgen的聚合物微米材料的分類


  基于AIEgen的聚合物微球是一種最常見(jiàn)的形貌結(jié)構(gòu)，通常包括實(shí)心微球、多孔微球和微膠囊（核-殼結(jié)構(gòu)微球）三種典型結(jié)構(gòu)。實(shí)心微球由單一材料構(gòu)成或在整個(gè)微粒中具有均勻的成分。而多孔微球則包含微粒內(nèi)部的互聯(lián)空隙或孔隙網(wǎng)絡(luò)，而微膠囊則由具有核-殼結(jié)構(gòu)的核心材料和外部殼層組成（如圖1a所示）；AIEgen的聚合物微球結(jié)構(gòu)取決于制備方法。例如，制備基于AIEgen的聚合物實(shí)心微球的策略可以大致分為兩類。一種是通過(guò)物理方法將AIEgens摻雜到單體或聚合物中，并通過(guò)乳液或懸浮聚合、溶劑蒸發(fā)、噴霧干燥、膨脹擴(kuò)散法等方式制備實(shí)心微球中。另一種策略是通過(guò)將聚合物基體與AIEgens共價(jià)連接來(lái)制備AIE活性的聚合物實(shí)心微球（如圖2）。 


圖2.基于AIEgen的聚合物微球的制備策略


  這些不同結(jié)構(gòu)的微球在基于AIEgen的聚合物微米材料中具有各自獨(dú)特的特性和應(yīng)用潛力。例如，固體微球由于其均一的成分通常具有穩(wěn)定的熒光性能，可用于各種熒光傳感和成像應(yīng)用。而多孔微球由于其大表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，適用于環(huán)境物質(zhì)檢測(cè)等應(yīng)用。微膠囊則具有核-殼結(jié)構(gòu)，可用于微膠囊自警示自修復(fù)（如圖3）等領(lǐng)域。 


圖3.基于AIEgen的微膠囊應(yīng)用于損傷自警示自修復(fù)領(lǐng)域


  基于AIEgen的微纖維是另一種重要的微米材料類型，通常具有數(shù)百納米到數(shù)微米的直徑范圍。與微球相比，微纖維具有更高的長(zhǎng)寬比、表面積與體積比以及特定的力學(xué)性能。根據(jù)制備方法不同，基于AIEgen的聚合物微纖維可以實(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)，包括AIEgen摻雜微纖維、AIEgen包覆微纖維和AIEgen負(fù)載的核-殼結(jié)構(gòu)微纖維（如圖1b）。其中，AIEgen摻雜微纖維是最常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)聚合物/AIEgen溶液混合物的紡絲過(guò)程方便地獲得，如電紡、干式和濕式擠壓紡、空氣流輔助紡等。另一種AIEgen摻雜微纖維類型是通過(guò)兩種或更多種分子通過(guò)非共價(jià)相互作用的自組裝形成。例如，使用正負(fù)離子對(duì)之間的靜電相互作用，可以制備出界面聚電解質(zhì)復(fù)合（IPC）纖維（如圖4）。結(jié)合微纖維的大比表面積和高長(zhǎng)寬比特點(diǎn)，將AIEgens引入微纖維進(jìn)一步為所得的AIEgen摻雜微纖維帶來(lái)了一系列優(yōu)點(diǎn)，包括增加了靈敏度和便攜性、提高了亮度和光穩(wěn)定性以及放大了光療診斷（光動(dòng)力學(xué)和光熱學(xué)）效應(yīng)。因此，AIEgen摻雜微纖維在光學(xué)顯示裝置、結(jié)構(gòu)檢測(cè)、熒光傳感、光療診斷等領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用前景。 


圖4. AIEgen摻雜微纖維的制備方法及其應(yīng)用研究案例


  AIEgen包覆微纖維和AIEgen負(fù)載的核-殼結(jié)構(gòu)微纖維是另外兩種重要的基于AIEgen的微纖維結(jié)構(gòu)，具有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用前景。AIEgen包覆微纖維通過(guò)將AIEgens包覆在微纖維表面，可以在材料選擇上更加靈活。通過(guò)這種方法可以方便對(duì)各種纖維材料，包括天然纖維、合成纖維和復(fù)合纖維，進(jìn)行后期修飾，可以實(shí)現(xiàn)不同功能或性質(zhì)的調(diào)整，從而適應(yīng)各種應(yīng)用需求，包括熒光傳感、柔性顯示、生物成像、自抗菌個(gè)人防護(hù)裝備等（如圖5）。AIEgen負(fù)載的核-殼結(jié)構(gòu)微纖維具有AIEgen芯材和聚合物殼層，聚合物殼層可以儲(chǔ)存或封裝AIE活性物質(zhì)，還可以作為保護(hù)芯材材料免受外部因素的影響，保持芯材的穩(wěn)定性。 


圖5. AIEgen包覆微纖維的制備方法及其應(yīng)用研究案例


  除了微球和微纖維之外，一些其他形狀的基于AIEgen的微米粒子，包括微帶（microbelt）、立方體微粒（cubosome）和六方體微粒（hexosome）等，也表現(xiàn)出了諸多優(yōu)異性質(zhì)和良好的應(yīng)用潛力。


  最后，作者指出盡管基于AIEgen的聚合物微米材料的研究已經(jīng)取得了一些重要的進(jìn)展，但這個(gè)領(lǐng)域仍處于起步階段。作者對(duì)基于AIEgen的聚合物微米材料未來(lái)的研究和應(yīng)用提出了四點(diǎn)展望：首先，需要系統(tǒng)研究基于AIEgen的聚合物微米材料的結(jié)構(gòu)與其最終性質(zhì)之間的關(guān)系。其次，需要進(jìn)一步探索和理解AIE現(xiàn)象在聚合物微米材料中的基本原理。第三，未來(lái)的研究工作還可以致力于開(kāi)發(fā)和發(fā)展基于AIEgen的聚合物微米材料的高效制備方法。第四，基于AIEgen的聚合物微米材料的應(yīng)用潛力仍有很大的探索空間，尤其是AIEgen負(fù)載的核殼結(jié)構(gòu)微米材料的研究仍較少，未來(lái)可以重點(diǎn)研究其在藥物傳遞、能量?jī)?chǔ)存和太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換過(guò)程監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。


  該工作近期發(fā)表在Advanced Functional Materials上，文章題目為“Functional Polymeric Micromaterials Based on Aggregation-Induced Emission Luminogens”，第一作者為廣東工業(yè)大學(xué)陳樹(shù)生特聘副教授，共同通訊作者為深圳大學(xué)AIE研究中心韓婷副教授和香港中文大學(xué)（深圳）唐本忠院士。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307267

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