唐本忠院士/深大韩婷/广工陈树生 AFM：基于AIEgen的功能高分子微米材料

2023-09-11 来源：高分子科技

在分子和宏观物质之间，存在着由多个单一实体组成的介观维度的聚集体。作为一群相互作用的分子的集合，聚集体常常表现出与其单一分子迥然不同的性质和功能。近期，唐本忠院士团队提出了“聚集体科学”的概念来填补分子和宏观物质之间的空白，相关研究对于聚集体的结构-性能关系建立以及新材料和技术的发展起到了重要的推动作用。聚集体的性质和行为受到其尺寸的强烈影响，这是它们与分子材料的显著区别。目前具有聚集诱导发光（AIE）性质的荧光纳米材料研究已取得显著进展，然而，尺寸在0.1~1000微米范围的AIE微米材料的研究发展仍相对缓慢。在各种介观聚集体材料中，高分子微米材料具有比表面积高、结构多样、制造灵活、易操作等优点，是聚集诱导发光分子（AIEgen）的优良载体，也是聚集体科学研究的良好平台。近年来，基于AIEgen的高分子微米材料在环境传感、结构健康监测、多色显示、光动力治疗、能量转换等领域显示出巨大的应用潜力。

近日，香港中文大学（深圳）唐本忠院士、深圳大学AIE研究中心韩婷副教授和广东工业大学陈树生特聘副教授系统综述了基于AIEgen的功能聚合物微米材料的最新研究进展，总结了基于AIEgen的聚合物微米材料的设计策略、制备方法、结构特点和应用场景，并将此类材料根据结构特点分为微球、微纤维和其他形状微米粒子三类来进行介绍。最后，作者对该研究领域面临的挑战和前景进行了展望，该综述对基于AIEgen的高分子微米材料的发展提供了较为全面的总结和介绍，并对该领域的未来研究提供了有价值的见解。

图1. 基于AIEgen的聚合物微米材料的分类

基于AIEgen的聚合物微球是一种最常见的形貌结构，通常包括实心微球、多孔微球和微胶囊（核-壳结构微球）三种典型结构。实心微球由单一材料构成或在整个微粒中具有均匀的成分。而多孔微球则包含微粒内部的互联空隙或孔隙网络，而微胶囊则由具有核-壳结构的核心材料和外部壳层组成（如图1a所示）。基于AIEgen的聚合物微球结构取决于制备方法。例如，制备基于AIEgen的聚合物实心微球的策略可以大致分为两类。一种是通过物理方法将AIEgens掺杂到单体或聚合物中，并通过乳液或悬浮聚合、溶剂蒸发、喷雾干燥、膨胀扩散法等方式制备实心微球中。另一种策略是通过将聚合物基体与AIEgens共价连接来制备AIE活性的聚合物实心微球（如图2）。

图2.基于AIEgen的聚合物微球的制备策略

这些不同结构的微球在基于AIEgen的聚合物微米材料中具有各自独特的特性和应用潜力。例如，固体微球由于其均一的成分通常具有稳定的荧光性能，可用于各种荧光传感和成像应用。而多孔微球由于其大表面积和孔隙结构，适用于环境物质检测等应用。微胶囊则具有核-壳结构，可用于微胶囊自警示自修复（如图3）等领域。

图3.基于AIEgen的微胶囊应用于损伤自警示自修复领域

基于AIEgen的微纤维是另一种重要的微米材料类型，通常具有数百纳米到数微米的直径范围。与微球相比，微纤维具有更高的长宽比、表面积与体积比以及特定的力学性能。根据制备方法不同，基于AIEgen的聚合物微纤维可以实现各种结构，包括AIEgen掺杂微纤维、AIEgen包覆微纤维和AIEgen负载的核-壳结构微纤维（如图1b）。其中，AIEgen掺杂微纤维是最常见的一种结构，可以通过聚合物/AIEgen溶液混合物的纺丝过程方便地获得，如电纺、干式和湿式挤压纺、空气流辅助纺等。另一种AIEgen掺杂微纤维类型是通过两种或更多种分子通过非共价相互作用的自组装形成。例如，使用正负离子对之间的静电相互作用，可以制备出界面聚电解质复合（IPC）纤维（如图4）。结合微纤维的大比表面积和高长宽比特点，将AIEgens引入微纤维进一步为所得的AIEgen掺杂微纤维带来了一系列优点，包括增加了灵敏度和便携性、提高了亮度和光稳定性以及放大了光疗诊断（光动力学和光热学）效应。因此，AIEgen掺杂微纤维在光学显示装置、结构检测、荧光传感、光疗诊断等领域中具有潜在的应用前景。

图4. AIEgen掺杂微纤维的制备方法及其应用研究案例

AIEgen包覆微纤维和AIEgen负载的核-壳结构微纤维是另外两种重要的基于AIEgen的微纤维结构，具有不同的特点和应用前景。AIEgen包覆微纤维通过将AIEgens包覆在微纤维表面，可以在材料选择上更加灵活。通过这种方法可以方便对各种纤维材料，包括天然纤维、合成纤维和复合纤维，进行后期修饰，可以实现不同功能或性质的调整，从而适应各种应用需求，包括荧光传感、柔性显示、生物成像、自抗菌个人防护装备等（如图5）。AIEgen负载的核-壳结构微纤维具有AIEgen芯材和聚合物壳层，聚合物壳层可以储存或封装AIE活性物质，还可以作为保护芯材材料免受外部因素的影响，保持芯材的稳定性。

图5. AIEgen包覆微纤维的制备方法及其应用研究案例

除了微球和微纤维之外，一些其他形状的基于AIEgen的微米粒子，包括微带（microbelt）、立方体微粒（cubosome）和六方体微粒（hexosome）等，也表现出了诸多优异性质和良好的应用潜力。

最后，作者指出尽管基于AIEgen的聚合物微米材料的研究已经取得了一些重要的进展，但这个领域仍处于起步阶段。作者对基于AIEgen的聚合物微米材料未来的研究和应用提出了四点展望：首先，需要系统研究基于AIEgen的聚合物微米材料的结构与其最终性质之间的关系。其次，需要进一步探索和理解AIE现象在聚合物微米材料中的基本原理。第三，未来的研究工作还可以致力于开发和发展基于AIEgen的聚合物微米材料的高效制备方法。第四，基于AIEgen的聚合物微米材料的应用潜力仍有很大的探索空间，尤其是AIEgen负载的核壳结构微米材料的研究仍较少，未来可以重点研究其在药物传递、能量储存和太阳能热转换过程监测等领域的应用潜力。

该工作近期发表在Advanced Functional Materials上，文章题目为“Functional Polymeric Micromaterials Based on Aggregation-Induced Emission Luminogens”，第一作者为广东工业大学陈树生特聘副教授，共同通讯作者为深圳大学AIE研究中心韩婷副教授和香港中文大学（深圳）唐本忠院士。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307267

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（责任编辑：xu）

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