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近期，交大科研人员在力-化协同治疗特应性皮炎 、亚稳型电解水制氢催化剂、 多模态感-存-算一体化神经形态电化学晶体管、固态电池失效机理等方面取得研究新进展。

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目录

●西安交大医工交叉团队首次实现力-化协同治疗特应性皮炎

● 西安交大科研人员在亚稳型电解水制氢催化剂方面取得重要进展

● 西安交大科研人员研发多模态感-存-算一体化神经形态电化学晶体管

● 西安交大科研团队在固态电池失效机理方面取得系列进展

西安交大医工交叉团队

首次实现力-化协同治疗特应性皮炎

//  发表期刊

《自然·通讯》

(Nature Communications)

研究背景

特应性皮炎(Atopic dermatitis, AD)是一种慢性炎症性皮肤病，通常伴有严重的瘙痒。患者由于瘙痒而产生的不由自主搔抓是AD皮肤炎症加重和持续的重要原因。一方面，搔抓产生的力学刺激会促进皮肤细胞分泌TSLP等炎症因子，这会增强AD的炎症，形成“痒挠循环”；另一方面，搔抓产生的力学刺激会直接破坏皮肤屏障，从而增强细菌及过敏原在皮肤组织中的浸润，进而加重炎症。此外，AD中急性炎症导致的氧化应激和力学搔抓的作用是高度耦合的：剧烈抓挠可增强氧化应激并导致急性炎症，而氧化应激介导的炎症可引起细胞对力学刺激的敏化，从而增强搔抓下细胞的炎症反应。

现有的AD治疗途径侧重于使用类固醇药物和抗组胺药减轻氧化应激与急性炎症，而针对搔抓的治疗往往被忽视，力-化协同治疗AD的效果同样不清楚。

▲力-化协同治疗特应性皮炎的水凝胶敷料示意图

研究成果

针对上述问题，西安交通大学生命科学院与技术学院仿生工程与生物力学研究所(BEBC)以交大“大医科＋强工科”模式为载体，充分利用多学科交叉和理工医融合的优势，与西安交通大学第二附属医院皮肤科耿松梅教授团队合作，基于力学、材料学、皮肤病学等多学科交叉开发了一种多功能水凝胶皮肤敷料，首次实现了力-化协同治疗特应性皮炎。

▲力-化协同治疗的HCPF水凝胶敷料可以缓解AD症状

该工作证明了力学信号通路关键蛋白黏着斑激酶(Focal adhesion kinase, FAK)磷酸化的增强与搔抓有关。在AD小鼠模型中，力学搔抓不仅加重了AD症状，同时增强了组织中磷酸化FAK的水平。随后，团队开发了一种基于硼酸酯的粘性、可拉伸、可自愈的多功能水凝胶敷料(HCPF)，负载了用于清除活性氧的聚多巴胺纳米颗粒(PDA NPs)和脂质体装载的FAK抑制剂(FAKi-lipo)以协同治疗AD。这种具有自愈性和抗菌性的水凝胶适用于AD皮肤独特的搔抓和细菌环境。在细胞水平上，通过抑制FAK阻断细胞力学信号转导可以有效减少大应变拉伸导致的炎症因子分泌以及细胞间连接关键蛋白E-Cadherin的破坏。在动物水平上，FAK抑制可以减少搔抓下皮肤屏障的破损以及皮肤的炎症水平。整合FAK抑制和ROS清除的HCPF水凝胶敷料以力-化协同的方式取得了最佳的AD治疗效果。

该工作证明了力学信号通路关键蛋白黏着斑激酶(Focal adhesion kinase, FAK)磷酸化的增强与搔抓有关。在AD小鼠模型中，力学搔抓不仅加重了AD症状，同时增强了组织中磷酸化FAK的水平。

随后，团队开发了一种基于硼酸酯的粘性、可拉伸、可自愈的多功能水凝胶敷料(HCPF)，负载了用于清除活性氧的聚多巴胺纳米颗粒(PDA NPs)和脂质体装载的FAK抑制剂(FAKi-lipo)以协同治疗AD。这种具有自愈性和抗菌性的水凝胶适用于AD皮肤独特的搔抓和细菌环境。在细胞水平上，通过抑制FAK阻断细胞力学信号转导可以有效减少大应变拉伸导致的炎症因子分泌以及细胞间连接关键蛋白E-Cadherin的破坏。在动物水平上，FAK抑制可以减少搔抓下皮肤屏障的破损以及皮肤的炎症水平。整合FAK抑制和ROS清除的HCPF水凝胶敷料以力-化协同的方式取得了最佳的AD治疗效果。

▲抑制FAK磷酸化可以减少搔抓导致的皮肤屏障损伤

论文题目

《集成FAK抑制和ROS清除功能的水凝胶敷料用于特应性皮炎的力-化协同治疗》(Hydrogel dressing integrating FAK inhibition and ROS scavenging for mechano-chemical treatment of atopic dermatitis)

论文作者

西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室为论文第一作者单位和通讯作者单位。文章第一作者为西安交通大学生命学院贾渊博博士和西安交通大学第二附属医院博士生胡佳辉，通讯作者为西安交通大学生命学院徐峰教授和西安交通大学第二附属医院皮肤科耿松梅教授。文章其他作者包括博士生安克莉、赵强、党阳，西安交通大学生命学院刘灏副教授和魏钊副教授。

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西安交大仿生工程与生物力学研究所

西安交通大学仿生工程与生物力学研究所(BEBC)围绕“科学研究-技术研发-工程应用-临床推广”的学术思想和“临床问题(BED)-实验室研究(BENCH)-临床应用(BED)”的研究思路，在力学微环境领域开展了从组织到细胞和分子尺度的多尺度生物热-力-电耦合学等基础和应用研究，为阐明重大疾病的发病机理和临床诊疗提供有效的理论指导和技术方案。

近年来，在生物力学和力学生物学的研究基础上，通过工程学手段，将不同尺度的力学调控引入疾病治疗，开展了一系列基于生物力学和力生物学的力医学(mechanomedicine)研究。

相关代表性研究成果发表于

●Nature Materials

●Nature Chemistry

●Nature Biomedical Engineering

●PNAS

●Nature Communications

●Science Advances等期刊

BEBC网站主页

西安交大科研人员在亚稳型

电解水制氢催化剂方面取得重要进展

//

发表期刊

《自然·通讯》

（Nature Communications）

研究背景

电解水制氢是绿氢制备的重要手段，是解决能源与环境问题、实现“双碳”目标的重要途径。铂是碱性条件下电解水阴极析氢反应的最有效催化剂，但是仍表现出较大的过电势，在大规模制氢中具有较高的电能损耗。长期以来，铂催化剂的研究主要集中在稳定立方相纳米材料。虽然亚稳相贵金属纳米材料具有独特的催化性质，该类材料的研究仍处于初级阶段，缺乏足够的合成和电子调控策略以充分激发该类材料的催化潜力。

研究成果

西安交大高传博教授团队提出以非贵金属镍为模板合成亚稳相铂基纳米催化材料。通过采用油胺与铂盐的配位反应，有效抑制了铂盐与镍纳米材料之间的置换反应，实现了亚稳六方相铂在镍非（0001）晶面上的可控形成和精准的厚度调控。镍模板不仅降低了催化剂的成本，还通过核壳间应力和电子转移效应，有效调变了亚稳六方相铂壳的电子结构。基于以上策略，实现了高效的碱性电解水析氢动力学，其在–70 mV过电势下的催化活性达到17.4 mA μgPt-1，是迄今报道的最高性能。这项研究为金属纳米材料的晶相和电子结构调控提供了新途径，对电解水制氢等能源催化过程关键催化剂的开发具有指导意义。

论文题目

《镍纳米晶外延生长合成亚稳六方相铂纳米壳层实现高效析氢》（Coherent hexagonal platinum skin on nickel nanocrystals for enhanced hydrogen evolution activity）

论文作者

西安交大前沿院助理教授刘凯、苏州大学讲师杨昊和上海科技大学工程师蒋亦岚为该工作共同第一作者。西安交通大学为该工作的第一完成单位。

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高传博课题组主页：

西安交大科研人员研发

多模态感-存-算一体化神经形态电化学晶体管

//

发表期刊

《自然-电子学》(Nature Electronics)

研究背景

近年来，基于存算一体人工神经网络的人工智能（AI）得到飞速发展，基于神经网络的大规模阵列和计算模型带来了更高的算力。然而当前的人工神经网络仍和真正的生物神经系统在能效和功能性上仍相差甚远，后者的多模态感知-存储-计算一体架构使其成为实时信息感知、处理和反馈一体化的智能系统，具备条件反射等更为智能而复杂的功能。因此，开发仿生学习硬件是加快AI系统发展的迫切需要，其关键难点在于硬件模拟外周神经的感受器以及中枢神经的突触和神经元。

然而，常用多模块集成策略在材料和器件架构上的异质性使其在加工兼容性、电导匹配和集成密度等方面受到限制，不适合于微型化AI系统的构建。因此，使用单一器件同时实现多模态感知和存算功能是实现均质化、高集成度、高兼容性及生物相容性的硬件系统的重要手段。然而，高性能感知性能（易失性）和存算性能（非易失性）之间存在本质矛盾——感知功能需要低离子传输势垒以实现离子快速穿梭，存算功能需要高离子传输势垒以实现离子的长期存储。

研究成果

为了克服上述矛盾，实现均质化多模态感-存-算一体硬件，西安交大金属材料强度国家重点实验室马伟教授课题组和香港大学电气与电子工程系王中锐教授课题组等单位合作，设计了一种沟道高度结晶的，全贯穿垂直结构的有机电化学晶体管（OECTs），这种器件基于离子-电子混合导体材料，其具有高度结晶和高深宽比的沟道。通过改变栅压大小可选择性控制离子注入势垒不同的非晶/晶态相区，同时通过栅极界面过程控制，使器件可在易失性/非易失性模式间切换，并表现出优异综合性能（图1）。

作为人工感受器，其具有高开关比，和增益性能，65 mv/dec的低亚阈值斜率，可实现对多种高频微弱电生理信号的实时感知。同时，该器件还可对、光、热、化学等信号进行多模态感知，大大拓展了信息维度。作为非易失性人工突触，其具有远高于现有各类忆阻器，＞10-bit（1024）的模拟电导状态数量，超低编程随机性（△GDS2/σ2 ≈179）。在32倍动态范围内，具有大于10000秒的电导状态保持时间和低电导漂移。

最后，研究人员设计了基于上述器件的均质化脉冲神经网络硬件和储蓄池计算系统，展示了图像分类、条件反射、实时心脏疾病诊断等实际应用，对微型化边缘计算AI系统的发展具有重要意义。

图1 (a) OECT同时作为人工感受器和突触用于信息实时处理; (b)传感特性; (c)存算特性; (d)用于构建均质化神经网络的均质化OECT阵列; (e)感存算一体神经网络用于心脏疾病诊断。

《自然-电子学》期刊同时还发表了由美国桑迪亚国家实验室A. Alec Talin教授署名的题为《一种随需应变的有机器件》(An organic device with volatility on demand)的专题评述文章，评论认为“精确可调的突触和传感组合行为，在发展具有生物神经网络的感知和学习多功能模拟电路中价值巨大，使用该器件构成神经网络阵列可以最大限度地减少模数转换和信息传输所带来的能耗和延迟。同时该器件本征柔性、环境稳定性和低成本在脑机接口领域也具备良好的应用前景”。

论文题目

《单一电化学晶体管用于多模态感知，存储与处理》(An organic electrochemical transistor for multi-modal sensing, memory and processing)

论文作者

西安交大材料学院博士生王世杰和香港大学电气与电子工程系博士生陈曦为文章共同第一作者，马伟教授和香港大学王中锐教授为共同通讯作者。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一通讯单位。文章合作者还包括西安交通大学马恩教授，张伟教授和李桃教授，西安科技大学的李宇翔教授。

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西安交大科研团队在

固态电池失效机理方面取得系列进展

//

研究背景

以固态电解质和锂（Li）金属负极为核心组件的固态电池具有高能量密度和高安全性的特点，具有广阔的应用前景。然而，固态锂金属电池目前在实际条件下的最大电流密度通常低于0.5 mA cm-2，远低于交通运输行业动力电池的要求（高于4mA cm-2),严重阻碍其在高功率场景的应用。固态锂金属电池一旦在高于临界电流密度(CCD)的条件下运行，将不可避免得引发内部短路和电池失效。

研究认为，这种内部短路是由锂枝晶在固态电解质中的生长和扩展造成的，这种生长会导致固态电解质力学失效直至连通正负极。理解这一失效机理是开发设计新型材料和界面，实现固态电池产业化的关键，然而采用常规实验方法难以获取固态电解质内部的应力、位移和电场。

研究成果

西安交通大学宋忠孝教授课题组联合瑞典查尔姆斯理工大学熊仕昭研究员研究了固态电解质内部锂细丝生长、界面缺陷和内部缺陷/界面缺陷协同作用对固态电解质电化学-力学失效的影响机制，取得系列进展。

进展一

采用多物理场模拟方法建立了电化学-力学耦合模型，对固态电解质内部锂细丝生长引起的失效过程进行了系统研究，通过应力场动态演变、局部位移和相对损伤的可视化，揭示了裂纹形成及其在固态电解质内扩展过程。研究结果表明，固态电解质的局部位移是应力传递的结果，导致固态电解质内部的结构损伤和裂纹形成。锂细丝几何构型起伏区域引起的各向异性应力场以及相对位移加剧了固态电解质的结构损伤，固态电解质内部锂细丝的数量和尺寸对应力场分布和局部位移至关重要，小尺寸锂细丝的弥散分布促进相邻细丝间连续应力网络的形成，加速了损伤在固态电解质内部的传递。

▲内部锂细丝生长引起的固态电解质力学失效

发表期刊

《先进材料》（Advanced Materials）

论文题目

《内部锂细丝生长引发的固体电解质电化学-力学失效》(Electro-chemo-mechanical failure of solid electrolyte induced by growth of internal lithium filaments）

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进展二

揭示了金属锂在界面缺陷处沉积引发固态电解质失效的机理。研究发现，界面缺陷的几何形状是局部应力场集中的主导因素，而半球形缺陷在初始阶段造成较少的损伤累积和最长的电解质解体失效时间。纵横比作为缺陷研究的关键几何参数对电解质失效过程具有显著影响，在低纵横比为0.2~0.5三棱锥界面缺陷附近显示出损伤的分支区域，可能导致固态电解质的表面粉化，而当界面缺陷的纵横比超过3.0时，将引发体电解质本体中的损伤累积。

▲界面缺陷几何参数对

固态电解质电化学-力学损伤的影响

发表期刊

《先进材料》（Advanced Materials）

论文题目

《界面缺陷对固态电解质电化学-力学失效的作用》(Role of interfacial defect on electro-chemo-mechanical failure of solid-state electrolyte)

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进展三

对比研究了界面缺陷和内部缺陷协同效应对固态电解质的力学失效和金属锂电化学沉积过程的影响，重点阐述了缺陷尺寸和几何构型对形成协同效应的作用机制。研究表面，界面缺陷内部金属锂电沉积产生的压缩在电解质中形成局部应力并进一步向本体传递，直至导致固态电解质解体，界面缺陷的几何形状和固态电解质的内部缺陷可以影响内部力学损伤扩展的路径。

▲内部缺陷位置对固态电解质力学失效的影响

发表期刊

《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）

论文题目

《源于界面缺陷和内部缺陷协同作用的固态电解质力学失效》（Mechanical Failure of Solid-State Electrolyte Rooted in Synergy of Interfacial and Internal Defects）

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论文作者

以上研究成果均以西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一单位，第一作者为刘洋洋博士和徐谢宇访问博士生。论文合作者包括西安交大材料学院王永静助理教授和孙军教授等。