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作为改变生活方式的清洁可再生储能装置最成功的化学范例，锂离子电池正在经历着大规模的更新优化，其中正极材料是决定锂离子电池性能的关键因素，是锂离子电池领域的研究热点。尖晶石 LiMn2O4 正极材料因其环境友好、成本低廉成为具有良好前景的锂离子电池正极材料之一。然而，由于 Mn3+ 的 Jahn-Teller 畸变以及锰的溶解问题，导致 LiMn2O4 正极进一步扩大使用受限。近日，中南大学教授课题组从尖晶石的晶体结构层次出发设计，首次在尖晶石 LiMn2O4 的表面 16c 间隙空位进行了 Al 表面掺杂改性，表面 16c 位点引入额外的 Al3+ 掺杂剂对表面 MnO6 八面体势场带来了显著影响，借此他们提出了 Al 和 Mn 的原子互锁概念。图 | （来源：资料图）基于 Al 与 Mn 的互锁效应，Mn 的性质受到 Al 掺杂源的影响，Mn3+ 的 Jahn-Teller 效应以及 Mn 的溶解问题都得到了针对性的抑制。结合密度泛函理论计算、同步辐射软 X 射线吸收谱、原位 X 射线衍射、非原位 X 射线光电子能谱和电子能量损失谱等先进表征，所设计的改性 LiMn2O4 正极展现出突出的表面结构稳定性，在经历 1000 次电化学循环测试后仍具有良好的循环稳定性。可以说这项工作突破了传统针对 Mn 位点进行掺杂改性的束缚，利用间隙位点进行了表面工程研究，为 LiMn2O4 正极的研究发展提供了一种新思路。近日，相关论文以《在 LiMn2O4 阴极中由间质位点激活的原子互锁化学》（）为题发在 Advanced Functional Materials 上，张舒是第一作者，担任通讯作者[1]。图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）一直以来，锰酸锂正极材料因其快速的容量衰减而导致应用市场较小，进一步扩大商业化使用较为受限。近年来，锰酸锂正极材料在商业化正极材料占比中趋于稳定，多与镍钴锰三元正极材料混合使用，以提升正极端的倍率性能，这使得锰酸锂正极材料的得到了更加广泛的使用。该成果采用了铝元素作为表面改性剂，价格低廉，同时制备方法简单，产品具有高度的一致性，具有商业化生产的可行性。此外，利用正极晶体结构中的间隙空余位点来进行材料改性设计，也为正极材料的表面结构优化与体相组分设计提供了新的参考。在锂离子电池研究领域，正极材料决定着整个电池体系的应用容量与能量密度，是锂离子电池最为关键的核心组员。因此，课题组对锂离子电池正极材料进行了广泛的全面研究布局，包括已经实现商业化生产的锰酸锂、镍钴锰三元材料、磷酸铁锂材料和正在向商业化进军的富锂锰基正极。锰酸锂正极材料已经实现商业化生产多年，目前锰酸锂正极发展受限的原因主要是较低的实际比容量以及较差的循环保持率，锰酸锂材料依旧存在提升优化空间。当然，定下锰酸锂正极的研究课题并不仅仅是因为对该材料的探索，而是因此锰酸锂正极材料中存在的三价锰离子的 Jahn-Teller 畸变、以及 Mn 的溶解问题，导致了电池材料的结构失效问题。同样的，这些问题也出现在锂电、钠电、以及其他锰基正极和负极材料中。因此，Mn 元素固有问题的研究，可以从锰酸锂正极辐射到其他电极材料中，这也是定下该研究课题的根本原因。研究中，首先的步骤是广泛调研，课题组对类似方向的研究成果进行了调研汇总，归纳共性、以及比较不同。然后是提出方案，在广泛查阅 Mn 基材料历史论文的基础上，课题组对锰酸锂材料设计了多个研究计划，具体包括从抑制 Jahn-Teller 畸变着手、提升材料体系 Mn3d 和 O2p 轨道杂化出发以及设计独特的异质外延界面等。随后是实验验证，在之前锰酸锂领域的报道中，多是通过 Mn 位点进行掺杂改性来提升材料的结构稳定性。而在这项工作，该团队从锰酸锂材料的晶体结构出发，在 Mn 原子排布中的间隙空位点实现了 Al 原子表面掺杂。接下来是优化方案，通过优化实验方案，调整实验细节来优化所得材料的性能，使其具备该改性手段的最佳性能。最后是机理研究，也是最为重要的一部分。当课题组发现所得材料的电化学性能得到显著优化之后，他们对所得材料进行了物理化学结构的表征测试，并对材料进行理论计算模拟分析，来佐证其优异的结构稳定性。接着，通过各种表征测试，解析所得材料具备突出的理化性质的深入原因。科学研究的魅力在于其未知性，无意之中发现的成果往往更引人入胜。最初研究人员的设计是在锰酸锂表面构建一个 Al-Mn 的氧化物共晶格包覆层，但在后续的研究中并未发现对应的共晶格包覆层，而在原子尺度电镜中，他们发现原本的表面空位处出现了额外的原子亮点，这也让研究团队有了新的研究思路与目标。经过后续的不断完善与探索，才让这一个“无意”中发现的现象以及其内在原理真正地浮出水面。随后，课题组将其整理为论文并进

近日，中南大学机电工程学院教授和合作者，提出一种使用微流控混合器件，来制备靶向脂质体的方法，解决了靶向脂质体制备过程复杂、效率低的问题。据介绍，脂质体是由磷脂分子在水相中自组装形成的球状泡囊体，具有良好的生物兼容性、生物可降解性和低的免疫原性，是一种极具前景的药物载体。图 | 陈泽宇（来源：）近年来，脂质体已经在新冠疫苗、肿瘤免疫治疗、基因治疗、分子医学影像等研究领域进行了广泛应用。例如，在肿瘤免疫治疗中，利用脂质体封装小分子抗肿瘤药物，可以改善药物的药代动力学特征、降低药物的毒副作用。制备脂质体的传统方法主要包括薄膜水化法、逆向蒸发法、乙醇注入法等。使用常规方法产生的脂质体，存在尺寸偏大、粒径分布广、重复性差等缺点，在一定程度上限制了脂质体在生物医学领域的发展。此外，常规的脂质体由于不具备靶向性、递送效率较低，难以在目标区域实现有效的富集。微流控法，是一种利用微流体混合技术制备脂质体的新方法。通过对微流控芯片的混合单元进行设计，能够制备出性能稳定、粒径均一、批次重复性好的脂质体。但是，该团队发现基于微流控混合芯片，来制备靶向脂质体的成果在此前还鲜有报道。因此，他们决定开发一种使用微流控混合器件制备靶向脂质体的方法，实现靶向脂质体的可控、高效、一步式构建。研究人员表示：“我们相信，这次提出的微流控法一步式构建靶向脂质体的策略，能够极大地促进脂质体在生物医学中的深入应用。”近日，相关论文以《在多功能微流控混合装置中一步形成靶向脂质体》（）为题发表在 Small 上 [1]，2020 级的博士研究生单晗和硕士研究生孙鑫为共一作，中南大学湘雅医院皮肤科教授、副研究员和教授为共同通讯作者。图 | 相关论文（来源：Small）概括来说，该工作能显著地简化靶向脂质体的制备流程，使用微流控混合器件一步式构建靶向脂质体的技术，是一种通用、可拓展的方法。在一定条件下，不同领域的研究者都可以采用本次策略，去合成自己所需的靶向脂质体。同时，脂质体作为一种极具前景的纳米载体，能用于包封水溶性药物和脂溶性药物，本身已在多个领域开展了广泛应用。课题组表示，该技术可用于多模态分子影像、肿瘤免疫疗法、基因疗法、光热/光动力疗法、声动力疗法等多个领域。就多模态分子影像应用来说，需要使用靶向脂质体将造影剂递送到身体特定部位，才能对特定区域实现精准的分子功能性成像，这在肿瘤早期筛查以及肿瘤治疗评估等阶段都是必不可少的。此外，对于多种肿瘤治疗方法来说，靶向脂质体能让药物在肿瘤区域进行有效富集，在提高药物递送效率的同时，可以降低药物对正常组织的毒副作用。因此，该成果在一定程度上加速了靶向性药物的前期研发过程，使科研人员能够快速开展前期实验。表示：“也算是误打误撞，才有了今天的成果，最开始我们团队关注到脂质体，是打算用它来实现更高效率的透皮给药。”但是，在前期工作中研究团队遇到了一些问题。最开始，其使用传统的薄膜水化法去制备脂质体，后来发现这种方法存在耗时久、批次之间重复性差等问题，这也促使他们沉下心来去思考有没有一种新的方案去更高效地制备脂质体。调研大量文献之后，他们发现微流控法是一种非常有潜力的方法。微流控法制备脂质体具有操作简单、粒径均一、重复性好的优势。在确定了微流控法制备脂质体的方案后，课题组从两个方面进行研究，一方面是微流控混合器件的功能性，另一方面是如何制造微流控混合器件。以往的微流控混合器件功能往往比较单一，另外微流控混合器件的制造主要以传统的微纳加工方法为主。而他们围绕靶向脂质体的制备流程，设计了模块化的微流控混合结构，然后使用高精度的 3D 打印技术快速制造了微流控混合器件。接着，又着手进行脂质体的组方设计、模型药物和靶向基团的筛选等。期间，课题组选择 DPPC、DSPE-PEG2000、DSPE-PEG2000-MAl、胆固醇作为脂质体的组分，以及已获批准的吲哚菁绿作为模型药物，并选择一种靶向 PD-L1 的适配体作为靶向基团。后续，测试了微流控混合器件制备靶向脂质体的性能，包括靶向脂质体的粒径分布、批次可重复性、稳定性、包封率、细胞毒性、靶向基团结合效率等，这些都是评价脂质体的一些常见指标。最终，通过动物和细胞实验，他们完成了靶向脂质体的功能性验证。表示：“非常感谢陈翔教授和赵爽副研究员，正是有了他们在临床和基础研究中碰到的问题，才有了这项工作的开展。有很多次他们都是刚刚结束一天的手术，就立刻开始讨论课题，并且一直聊到很晚。另外，我们团队的研究生也非常努力，他们作为研究的主力军，在课题上投入了大量精力。”目前，围绕脂质体制备流程复杂、粒径过大、重复性差的行业瓶颈问题，以及微流控混合芯片功能单一、生产效率低的工程技术难题，该团队也正在研发一种功能高度集成化的微流控合成系统，其能在一个微流控合成系统内实现液体混合、脂质体粒径控制和纯化等功能，即在同一