轻工学院王学川教授团队在生物质胶原基质医用材料等领域取得系列高水平研究成果

近期，我校轻工科学与工程学院（柔性电子学院）王学川教授团队（生物质与功能材料研究所）在生物质胶原基质医用材料、柔性电子传感材料、生物质高值化利用和生态皮革等领域取得系列研究成果，在国际知名期刊发表多篇学术论文，为扩宽我校轻工学科内涵发展提供支撑。部分研究成果如下：

1. 制备基于负泊松比超材料的摩擦纳米发电机（Auxetic-TENG），相比常用正泊松比材料可更高效吸收并转化机械能为电能，具有更优异的发电效率和检测灵敏度。经过测试，Auxtic -TENG的开路电压与传统的接触分离TENG相比提高了4倍，功率密度达到4.2 W m−2。应用实验表明在各种压缩比和应力条件下，Auxetic-TENG可以保持优越的灵敏性和耐用性，突出其作为可穿戴自供电传感器用于综合医疗保健的潜力。相关成果发表在Advanced Energy Materials（DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202400212）上。通讯作者为陕西科技大学轻工科学与工程学院王学川教授和刘新华副教授, 岳欧阳为本论文的第一作者。

2. 团队设计了一种超分子组装策略，以开发用于水下传感/通信和泄漏密封的形状自适应多功能水下导电粘合剂（e-PT/GS）。凭借超分子相互作用，e-PT/GS表现出优异的导电性、水下自修复能力、抗溶胀性能以及在各种恶劣环境（例如，酸、碱、海水和盐溶液）中的持久粘附。E-PT/GS还表现出预期的形状适应性，能够排斥界面水分并填补基底表面的不规则部分，从而与基底建立紧密且前所未有的适应性接触。结合无线设备，e-PT/GS被用于水下密封和现场实时监测来自密封点的信号，同时能够实现水下无线通信，并收集稳定的ECG信号。相关成果发表在Nano Today（DOI:10.1016/j.nantod.2024.102282）上。通讯作者为陕西科技大学王学川教授、刘新华副教授，博士生邹晓亮为本论文的主要完成人及第一作者。

3. 团队采用简单的一锅法，以天然皮肤为基材，并引入甜菜碱、银纳米粒子（AgNPs）、氯化钠（NaCl）和甘油/水二元溶剂形成的混合液，以纳米化方式设计了一种全新的多功能天然皮肤基有机水凝胶电子皮肤（NSD-Gel e-skin）。NSD-Gel e-skin显示出良好的透明度以及优异的拉伸强度（7.33 MPa）、抗穿刺性、保湿性、回湿性和抗菌性。此外，NSD-Gel e-skin具有优异的耐寒/耐热性和刺激反应特性，可以有效地感知环境温度或湿度的变化，以及监测人体生理/运动信号。体外和体内实验表明，NSD-Gel e-skin具有理想的生物相容性，即使在恶劣的环境中（-196℃至100℃）也能起到组织保护作用。NSD-Gel e-skin在可穿戴电子设备、人机界面和人工智能等领域具有巨大的应用潜力，为开发具有按需特性的高性能电子皮肤提供了一个重要平台。相关成果发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202212856）上。通讯作者为陕西科技大学王学川教授和刘新华副教授以及四川大学郭俊凌教授，博士研究生白忠薛为本论文的第一作者。

4. 团队利用天然皮肤基有机水凝胶制备了一种单电极摩擦纳米发电机，进而开发出可用于慢性伤口治疗的智能生物电子系统。该系统具有生物可吸收性、自供电和无线传输功能，可进行持续性按需药物治疗、纳米发电机自驱动的伤口电刺激和可视化的实时伤口状况评估。其中，天然皮肤衍生的有机水凝胶（SGC@MA-Gel）采用简单的一锅法制备，主要由天然皮肤、甘油、季铵化壳聚糖、二甲双胍和腺嘌呤组成。SGC@MA-Gel拥有天然皮肤的层级结构和生物特性，具有胶原蛋白基生物材料的高负载能力，还具备理想的机械强度、粘附性、导电性、抗菌性、按需药物释放和人体生理信号监测功能。该生物电子系统不仅可提供直接的按需药物治疗和纳米发电机驱动的伤口电刺激，以促进皮肤伤口快速恢复；还能够实时检测伤口处的葡萄糖、尿酸和pH等生物标志物，用于伤口可视化诊断和评估。相关成果发表在Nano Energy上。第一作者为白忠薛博士，通讯作者为王学川教授、刘新华副教授和四川大学陈一宁博士。

5. 团队报道了一种用于全季节可穿戴热管理的具有三明治结构的多功能 Janus天然皮肤。这种Janus型天然皮肤在无需额外能量输入的情况下便可在冷却和加热模式之间自由转换。此外，优异的非对称润湿性、阻燃性、导电性、焦耳加热、电磁屏蔽干扰和生理信号监测等多种附属功能也极大程度增加了其对复杂环境的适应性。在全季节可穿戴热管理、低碳出行和节能建筑家具领域表现出广阔的应用潜力及前景。相关成果发表在Composites Part B（DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111573）上。陕西科技大学博士生谢龙为本论文的第一作者。通讯作者为陕西科技大学王学川教授、刘新华副教授、岳欧阳博士后。

6. 团队设计合成多功能荧光两性聚合物（简称pADD-DMENA），开发了生态有机无铬皮革制造的颠覆性“三位一体”策略。pADD-DMENA表现出优异的复鞣、加脂和染色性能，柔软度为8.5 mm，增厚率为40%，抗张强度为19.77 MPa，撕裂强度为59.40 N/mm。且与传统阴离子染色皮革相比，pADD-DMENA染色皮革表面呈现均匀的亮黄色，并且具有优异的耐光性、耐久性和耐洗性。此外，其荧光本体能够对坯革和污水中的pADD-DMENA进行视觉跟踪，从而可以实时监测pADD-DMENA的精确分布。综上所述，pADD-DMENA的开发可以一步完成传统的湿整理工艺，有效节省工艺时间，减少各种化学品的添加11.2%，并表现出更好的废水降解性（BOD5/COD为0.35）。这一创新策略为生态皮革制造向低能耗、少污染的绿色方向拓宽了道路。相关成果发表在Green Chemistry（DOI: 10.1039/D3GC01446K）上。陕西科技大学博士研究生魏超为本论文的第一作者，通讯作者为陕西科技大学轻工科学与工程学院王学川教授和刘新华副教授。

7. 团队强涛涛教授成功开发了一种生态复鞣剂，该剂利用皮革固体废料，将含铬皮革屑水解为低分子量的明胶多肽，并与金属离子（如Zr4+和Al3+）形成复鞣剂。该复鞣剂能够与胶原纤维形成多点交联，从而显著提升复鞣皮革的机械性能，并有效去除游离甲醛。此外，金属离子的参与还增强了皮革对染料和加脂剂的吸收能力，减少了醛鞣皮革的潜在危害与废水排放，对清洁后鞣制过程具有重要意义。强涛涛教授还研发了一种可按需调节和废水回收的黄腐酸基无铬鞣剂，成功实现了鞣染一体化的创新策略。该新型无铬鞣剂（MFAA）是基于风化煤提取的腐殖酸与铝离子的结合，能够与皮革胶原纤维形成稳定的交联效果，并具备原位染色能力。同时，该方法还能够提取鞣制废水中的残留铝，回收的腐殖酸可作为水稻种子的发芽剂。这一新型鞣染一体化方法为皮革行业的可持续发展提供了新的解决方案，标志着无铬鞣剂研究的又一重要里程碑。相关成果已发表在Chemical Engineering Journal, 2024, 482, 148892；International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 261, 129922。

8. 团队王学川教授、党旭岗副教授报道了一种羧甲基纤维素和单宁酸/铁离子络合物(TA@Fe3+)组成的具有快速自组装和可调交联时间的坚固、粘接、自修复、可注射、抗菌、近红外(NIR)光热响应、生物相容性和导电的水凝胶(CPPFe@TA)，在生理信号监测和康复运动管理等皮肤生物电子学领域具有广阔的应用前景。相关工作被发表在国际材料领域的顶级期刊Advanced Functional Materials, 2024, 2405745。

9. 团队官小玉副教授等人受金属离子先充分渗透然后与水凝胶的功能基团有效结合的皮革矿物鞣制机理启发，成功构建了一系列金属离子配位水凝胶，与传统的制备方法相比，其力学性能有显著提高，强韧性金属离子配位水凝胶在柔性电子地板、关节运动、扁平足矫正等领域具有潜在的应用前景。相关研究成果发表在Advanced Functional Materials, 2024, 2313633，Chemical Engineering Journal, 2024, 489, 151353，ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, 16, 5168期刊上。此外，官小玉副教授等人还通过传统的鞣制工艺，成功构建了具有众多纳米/微通道、丰富的含氧官能团、优异的物理化学稳定性、柔韧性和生物相容性的天然皮革基蒸发器，有望从水蒸发中获取可持续的绿色能源，在发电、海水淡化和柔性自供电传感地板等领域具有广泛的应用前景。相关研究成果发表在Journal of Energy Chemistry, 2024, 96, 129。

10. 团队张慧洁副教授等报道了通过氢键增强的明胶-丙烯酸共聚物水凝胶中的丙烯酸共聚物的甲基含量对水凝胶的结构性能影响。研究表明，随着甲基含量的增加，水凝胶的结构逐渐由交联的网络结构转变为双连续相的相分离结构以及多分散尺度的相分离结构。含相同结构的水凝胶具有相似的黏弹性行为。其中，含双连续相的水凝胶具有最优异的力学性能，其断裂应力可达近10 MPa，显著高于其他已报道的明胶基水凝胶的力学强度。该成果发表在自然指数期刊Macromolecules, 2022, 55 (17), 7401-7410。

11. 利用含铬革屑制备含铬电催化剂，不仅能消除污染，还符合循环经济和可持续发展的要求。近日，团队成员韩庆鑫副教授等人利用铬革屑胶原纤维表面官能团在热解过程中固定钌原子，制备了一种全pH范围内析氢反应的电催化剂，相关成果发表在材料科学领域的领导性期刊Materials Horizons 上（Mater. Horiz., 2024, 23, 17158-17165）。

12. 团队朱兴副教授围绕可持续催化领域已于近两年发表多篇中科院1区成果，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，朱兴副教授等人依托生物催化与转化技术制备了一种新型仿生人工叶片。实现了叶片仿生气孔的可控开合、固碳速率可控调节、生态友好、生物固碳途径可设计等诸多功能。该工作发表在Nature Communications上（Nat Commun, 2024, 15(1): 4898）。

（核稿：刘国栋 编辑：赵诚）