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唐本忠院士/深大韓婷/廣工陳樹生 AFM：基于AIEgen的功能高分子微米材料

2023-09-11 來源：高分子科技

在分子和宏觀物質(zhì)之間，存在著由多個單一實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，唐本忠院士團隊提出了“聚集體科學(xué)”的概念來填補分子和宏觀物質(zhì)之間的空白，相關(guān)研究對于聚集體的結(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作用。聚集體的性質(zhì)和行為受到其尺寸的強烈影響，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，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。近年來，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、多色顯示、光動力治療、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)計策略、制備方法、結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用場景，并將此類材料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點分為微球、微纖維和其他形狀微米粒子三類來進(jìn)行介紹。最后，作者對該研究領(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，并對該領(lǐng)域的未來研究提供了有價值的見解。

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的形貌結(jié)構(gòu)，通常包括實心微球、多孔微球和微膠囊（核-殼結(jié)構(gòu)微球）三種典型結(jié)構(gòu)。實心微球由單一材料構(gòu)成或在整個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）。基于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的聚合物實心微球的策略可以大致分為兩類。一種是通過物理方法將AIEgens摻雜到單體或聚合物中，并通過乳液或懸浮聚合、溶劑蒸發(fā)、噴霧干燥、膨脹擴散法等方式制備實心微球中。另一種策略是通過將聚合物基體與AIEgens共價連接來制備AIE活性的聚合物實心微球（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的一種結(jié)構(gòu)，可以通過聚合物/AIEgen溶液混合物的紡絲過程方便地獲得，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兩種或更多種分子通過非共價相互作用的自組裝形成。例如，使用正負(fù)離子對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寬比特點，將AIEgens引入微纖維進(jìn)一步為所得的AIEgen摻雜微纖維帶來了一系列優(yōu)點，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、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)，具有不同的特點和應(yīng)用前景。AIEgen包覆微纖維通過將AIEgens包覆在微纖維表面，可以在材料選擇上更加靈活。通過這種方法可以方便對各種纖維材料，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，但這個領(lǐng)域仍處于起步階段。作者對基于AIEgen的聚合物微米材料未來的研究和應(yīng)用提出了四點展望：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，未來的研究工作還可以致力于開發(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，未來可以重點研究其在藥物傳遞、能量儲存和太陽能熱轉(zhuǎn)換過程監(jiān)測等領(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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（責(zé)任編輯：xu）

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