［本站讯］化学与化工学院胶体与界面化学攀登计划研究团队在水凝胶和胶体粒子组装等胶体分散体系研究领域取得系列研究成果，提出了多酚基水凝胶重塑神经铁稳态、诱导神经再生的新策略，揭示了铁稳态在神经再生中的作用；利用光调控离子导电水凝胶开发了一种模拟生物突触信息处理的水凝胶，开拓了胶体分散体系在仿生智能信息传感与处理领域的应用；提出了利用胶体颗粒间的排空力实现手性有机分子到非手性CdSe/CdS纳米棒的手性转移调控策略。相关研究近期发表在Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊。
一、提出了多酚基水凝胶重塑神经铁稳态、诱导神经再生的新策略，揭示了铁稳态在神经再生中的作用。
由于中枢神经系统的自发再生能力有限，脊髓损伤后的神经和运动功能恢复一直是临床治疗中亟待解决的难题和科学研究热点。离子稳态失衡作为脊髓损伤微环境中的关键病理特征，其对神经再生的调控作用尚未明确。利用多酚作为铁螯合剂和构筑基元合成水凝胶可用于脊髓损伤修复，一方面，多酚螯合脊髓损伤部位过载的金属离子形成非活性复合物，缓解离子失衡；另一方面，多酚发挥抗氧化、抗炎等功能，降低脂质过氧化水平，改善脊髓损伤微环境。
图1. （A）多酚基水凝胶重塑脊髓损伤铁稳态促进运动功能恢复的示意图；水凝胶促进脊髓损伤后运动诱发电位（MEP）与体感诱发电位（SEP）的恢复（B,C）以及成熟神经元在损伤部位的迁移（D）。
胶体与界面化学攀登计划研究团队与齐鲁医院神经外科团队合作发现脊髓损伤后铁超载引发芬顿反应，不仅诱导神经元细胞死亡，而且是抑制神经再生的关键因素，并阐释了铁沉积在脊髓损伤各病理过程中扮演的具体角色。利用单宁酸和羧甲基壳聚糖简单混合可构建多酚基复合水凝胶，不仅能够重塑脊髓损伤患处的铁稳态，而且发挥抗氧化以及免疫调节的功能，多途径改善脊髓损伤的再生微环境；促进上下行神经通路穿越损伤中心并形成功能性突触连接，最终显著改善脊髓损伤大鼠的运动功能（图1）。该研究属于胶体与界面化学和生物医学的交叉研究，揭示了铁稳态在神经发生中的重要作用，是对当前中枢神经再生困难理论的重要补充。利用多酚水凝胶调节铁代谢促进神经发生，为治疗脑创伤、脑出血等其他铁沉积性中枢神经系统疾病提供了新思路。该工作与齐鲁医院神经外科交叉研究团队合作发表在Proc. Natl. Acad. Sci. 。山东大学化学与化工学院崔基炜/郝京诚教授和齐鲁医院神经外科倪石磊教授为该论文的共同通讯作者；山东大学博士后耿慧敏和博士研究生李之威为共同第一作者。该研究结果是在前期相关成果的基础上 (Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 21529; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 18419; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202218021) 取得的进一步重大进展。
二、利用光调控离子导电水凝胶开发了一种模拟生物突触信息处理的水凝胶，开拓了胶体分散体系在仿生智能信息传感与处理领域的应用。
图2. 生物体感知过程中，神经突触控制信息通过能力产生反馈行为的简要原理；在水凝胶仿生突触中，利用光热转换控制两亲分子组装行为将红外光脉冲信号转化为累积性的电学信号输出，模拟了神经突触的基本功能。
生物神经系统中信息的传递与处理往往依赖于离子的可控迁移,从而实现智能的神经活动，例如学习、记忆和感知反馈等。在这一过程中，神经突触作为基础的功能单元，能够在动作电势刺激下通过离子的跨膜运动和神经递质的释放改变突触权重来调控神经元之间的信息通过能力（图2）。因此，如何操控具有胶体分散体系特性的凝胶材料中的离子迁移，将环境输入信息转化为可分析、有逻辑的反馈信息或行为，是胶体材料产生信息功能的关键科学问题。
通过设计合成具有温度控制组装行为的离子型表面活性剂，并于其中引入光热转换纳米材料以及高分子网络，构建出了具备红外光响应导电能力的可拉伸水凝胶。依靠离子型表面活性剂的动态组装原理，以红外光脉冲作为输入，该凝胶可以产生累积式的电学反馈信号，成功模拟了生物突触的基本功能，包括兴奋性突触后膜电势、对脉冲易化效应和短期可塑性等。该凝胶具有本征可拉伸电学性质，可以在不同应变状态下保持稳定的仿生突触功能。以该凝胶作为核心信息处理单元设计研发出一种光调制的自发运动反馈系统，能够在识别和整合不同光学信号的基础上，自发控制机械手的抓取活动，表现出具有仿生神经功能的“全或无”法则和“学习-经验”能力。本工作突破了传统离子水凝胶导电功能的技术瓶颈，以胶体分散体系可控组装原理为核心，建立了仿生信息处理的新机制，实现了将光学信息转化为可读取、有逻辑的电学信号的新方法。相关研究结果发表在Sci. Adv.。化学与化工学院刘亚庆/郝京诚教授为该论文的共同通讯作者；山东大学博士研究生田花生为第一作者。
三、提出了利用胶体颗粒间的排空力实现手性有机分子到非手性CdSe/CdS纳米棒的手性转移调控策略。
手性与物质的物理、化学和生物性质密切相关，如何实现分子手性的跨尺度、跨物种传递是胶体与界面化学研究领域的重要研究内容之一。光学活性手性材料因其在不对称催化、生物医学工程和先进光学等不同领域的潜在应用而受到广泛研究。开发具有高光学不对称性的手性材料，即基态或激发态的g因子，是手性材料走向实际应用的重要指标之一。现有的策略主要是在刚性的手性模板上通过静电作用、氢键、配位等方式吸附纳米粒子，形成手性结构。然而，不可逆的化学吸附导致纳米粒子在手性模板上非精准排列，手性组装体材料光学不对称因子偏低，普遍在10-3-10-4数量级。
图3. 多组分组装的手性转移调控机制。
本工作通过引入传统胶体组装过程的经典作用力—排空力来调控手性分子与半导体纳米粒子间的相互作用（图3）。研究表明，较强的较弱的排空剂能使纳米棒进行 “肩并肩”和“头对头” 组装。当纳米棒与手性分子进行共组装时，该排空效应能有效调控纳米棒的手性组装结构，调控组装体手性信号的反转与放大。在此基础上，构筑了具有高不对称发光因子glum = 0.3 的手性发光组装材料。本工作突破了传统胶体纳米粒子手性调控的思维范式，以胶体粒子间的作用力调控为核心，阐明了从分子手性到纳米颗粒组装体手性的可控转移机制，建立了高不对称性因子手性胶体材料的可控制备新策略。相关成果发表在 J. Am. Chem. Soc.。化学与化工学院杨志杰/郝京诚教授为该论文的共同通讯作者；山东大学博士研究生刘荣娟为第一作者。
上述研究得到国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目等的资助。
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