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王鐵研究員，2008年1月於中國科學院長春應用化學研究所博士畢業，2008年2月-2009年4月和2009年4月-2013年3月分別在美國倫斯勒理工學院和美國佛羅里達大學化學系從事博士後研究工作，2013年4月-2021年10月擔任中國科學院化學研究所研究員、中國科學院大學兼職教授，2020年5月起受聘為天津理工大學生命健康智能檢測研究院院長、研究員、博士生導師。主要從事功能納米材料自組裝結構及表界面微納結構的構建及功能開發與機理研究，開展生命流動複雜體系中痕量目標物的捕獲與疾病分析相關的生命健康檢測應用研究，歡迎各類有識之士加入天津理工團隊。
王鐵研究員在Science、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.等國際學術期刊上發表SCI論文100餘篇。獲得「國家基金委傑出青年基金」、「優秀青年基金」資助，入選中組部「萬人計劃」科技創新領軍人才、科技部「中青年科技創新領軍人才」，2021年獲IAAM Medal獎、2018年獲中國分析測試協會科學技術獎一等獎（第一完成人）。
（一）納米材料自組裝結構的設計和構建
設計和開發具有集成性能的納米材料超晶體/超結構是人類學習自然界中複雜生命體的一個嘗試。如何通過表面功能化修飾及結構誘導設計得到一系列光學、電學、力學等性能協同增強的納米材料組裝體，一直是納米材料自組裝應用的熱點和難點（Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 1483; Natl. Sci. Rev. 2017, 4, 672; Adv. Mater. 2019, 31, 1801441; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807658; Sci. Adv. 2020, 6:eaba1321）。該團隊通過界面分子調控和仿生界面結構設計，構建了一系列在力學、光學、電學和催化等領域具有性能集成增強的納米組裝結構（Adv. Sci. 2020, 7, 1903180; Nat. Commun. 2019, 10, 2779）。
（1）有序納米自組裝結構調控力學性能
受自然生物體貝殼類材料的界面結構和組成基元特性對機械性能增強機制的啟發，該團隊利用界面自組裝技術，並通過對組裝基元的單晶和缺陷容忍性設計，製備了大面積的納米片界面交錯連接超結構（圖1），提高了納米材料的機械穩定性和耐磨性，獲得了具有與生物材料（牙齒、貝殼）等效耐磨性的納米片組裝超結構（Adv. Mater. 2020, 32, 2002004）。此外，該團隊利用與不同分子長度直鏈巰基烷酸連接的銀簇具有不同的親疏水體積比的特性，設計得到了六方相和層狀相堆積結構的寡核原子簇組裝體，通過調節碳鏈長度和分子間相互作用力，可以實現具有不同力學性能的銀簇組裝結構（Adv. Mater. 2018, 30, 1702275）。
圖1. (A) 面對面平行排列和交錯組裝結構應力作用示意圖；(B) 單晶和多晶納米片應力分布示意圖；(C) 多晶納米片面對面平行排列和交錯組裝結構透射電鏡圖；(D) 不同組裝結構形變與力學加載結果；(E) 不同組裝結構橫向摩擦作用力。
（2）有序納米自組裝結構調控光學性能
為實現高靈敏度分析檢測響應，納米材料需要具有良好的信號傳遞性，因而自組裝材料內部的信號傳遞是材料結構設計要考慮的一個關鍵性問題。該團隊利用改良的乳化自組裝法製備了緊密有序排列的量子點超粒子，實現了亞納米級的量子點間耦合，產生了新的電子耦合態，加強了電子信號的傳遞和轉移（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1701982）。
信號強度隨著等離子體表面向介質外呈指數性衰減一直是表面增強拉曼散射（SERS）存在的問題。如圖2，該團隊利用甲胺鉛溴化合物覆蓋在金納米棒自組裝超結構表面，通過等離子體-介質選擇，可實現對等離子體表面電場強度的調控，提高了拉曼信號探測深度，可實現與等離子體表面無特異性吸附的分子的檢測（Adv. Mater. 2019, 31, 1804275）。
圖2. (A) 金納米棒自組裝示意圖和組裝結構掃描電鏡圖；(B) 金納米棒組裝陣列和CH3NH3PbBr3複合結構側面掃描電鏡圖；(C) 採集羅丹明的拉曼光譜比較空氣和CH3NH3PbBr3介質在金納米棒組裝陣列上的信號穿透深度；(D) 不同介質中拉曼強度沿垂直方向遠離貴金屬表面的衰減
（3）有序納米自組裝超晶格陣列調控電學性能
一維陣列結構由於其獨特的各向異性性能，在光學傳感、電學信號傳輸上起著重要的作用。如圖3，該團隊通過模板法，利用毛細作用力控制製備了大尺寸長程有序的一維BaTiO3納米顆粒超晶格陣列結構，與傳統的納米顆粒薄膜比，組裝的超晶格陣列電極化率發生了明顯的提高，降低了薄膜結構中電信號的交叉影響，有效提高了電信號的傳遞效率（Adv. Mater. 2017, 29, 1703143）。
圖3. (A) 一維超晶格陣列組裝示意圖；(B) 一維超晶格陣列掃描電鏡圖；(C) 一維超晶格陣列的鐵電遲滯回線。
（二）界面反應動力學調控策略
流動體系中納米界面的化學反應通常經歷反應物擴散、吸附、反應、解吸/脫附循環過程，如何充分理解納米界面反應動力學過程，是提高反應效率的研究基礎和研究熱點問題。王鐵研究員團隊從納米界面與環境體系的空間觸模式、界面傳質效率、界面與環境相互作用力等因素出發（如圖4），基於修正的Shilov方程
模型，在功能納米組裝界面應用於化學反應動力學調控領域取得重要研究進展（Acc. Chem. Res. 2021, 54, 35; J. Mater. Chem. B 2020, 8, 3231）。
圖4. 納米組裝界面（有序組裝界面和活性組裝界面）及其在反應動力學調控中的應用
（1）改變納米材料與環境的接觸模式
傳統的水下產氣納米材料催化體系中產生的氣泡容易吸附在電極表面，抑制催化劑的反應活性，降低了傳質速率和催化劑的結構穩定性。基於此，該團隊利用條帶陣列的液下超疏氣特性，構建了一系列圖案化條帶陣列納米超晶格電極，使催化析出的氣體以很小的氣泡尺寸脫離電極表面（圖5），降低了氣泡對催化界面的黏附拉力，保證電極持續高活性催化性能和長時間的結構穩定性（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 1857）。
圖5. （A）納米材料薄膜和陣列結構水下產氣電催化界面示意圖；（B）納米顆粒自組裝陣列結構形貌表徵。
（2）改變流體環境中的界面傳質
常規的化學反應界面依賴於濃度梯度驅使的分子擴散，在界面處容易形成低速傳質的邊界層，限制了化學反應過程的物質傳輸。基於此，該研究團隊創造性地提出了一種自驅動納米界面，構建了一種可形變的MOF納米片組裝結構（如圖6）。在流體的剪切力驅動下，通過可形變MOF納米片的界面擾動，克服了反應介質表面停滯層對物質傳輸的絕緣阻礙，使產物迅速從催化劑表面脫離，促進了異相催化反應體系的傳質效率，進一步加深了對活性納米材料-環境界面的認識（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 9408）。此外，該研究團隊構建了一系列具有特殊三維結構的組裝體（納米花、納米片組裝框架薄膜、多孔材料、陣列結構等），展示了形狀誘導邊界層的傳質對濃度梯度驅使的分子擴散的影響（J. Mater. Chem. A 2017, 5, 22506; Anal. Chem. 2017, 89, 1416; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15953）。
圖6. (A) 塊體材料與可形變納米片表面流場及物質傳輸特性；（B）不同MOF納米材料結構及表面邊界層的流場特性模擬結果。
（3）強化納米材料與環境的作用力
增強納米材料和周圍環境中目標物的特異性親和能力，將有效地提高目標反應的動力學過程。除了增強界面分子間作用力（Anal. Chem. 2019, 91, 2418）及有序結構誘導的界面作用力分散和粘附增強（Adv. Mater. 2016, 28, 9589; Adv. Mater. 2016, 28, 8740; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806445），該團隊提出了一種全新的機械力輔助界面作用來增強納米材料-目標物之間親和力的結構設計。在此設想下，針對體外清除高速流動血液中細菌捕獲效率低的問題，開發了一種機械性能可調控的納米線組裝陣列的三維碳泡沫透析器（如圖7），通過納米線三維「納米爪」的機械抓捕，可以從未處理的血液中實現97%高效的致病細菌捕獲（Nat. Commun. 2018, 9, 444; Sci. Adv. 2020, 6: eabb9593）。
圖7. (A) 複雜血液環境示意圖；(B) 透析淨化血液流動示意圖；(C,D) 高流速下納米線捕獲細菌的三維模型；(E) 不同機械作用納米線細菌捕獲效率圖。
（三）面向生命健康領域的檢測和治療
（1）針對氣態內源性分子檢測開發的可攜式傳感器
在呼出氣疾病檢測中，由於氣態分子流動性強、難以捕獲的特點，對檢測靈敏度和檢測效率提出了很大的挑戰。基於此，該研究團隊構建了MOF包覆金納米顆粒超粒子的複合結構，利用氣體通過MOF多孔結構時流動性減弱，實現了肺癌患者呼出物中痕量氣體分子標誌物的有效吸附及捕獲，提高了檢測靈敏度（Adv. Mater. 2018, 30, 1702275）。
進一步，該團隊設計了一種空心鈷鎳層狀雙氫氧化物包覆的Ag納米線複合空腔結構材料（Ag@LDH），如圖8，利用空腔結構內氣體與空腔壁碰撞產生無規氣流的傳質特性，增加了氣流中目標分子的捕獲和吸附，有效提高了肺癌患者呼出物氣體分子中微量目標物的檢測靈敏度和檢測強度（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 16523）。
圖8. (A) 目標物在銀納米線及不同複合結構表面的界面傳質行為示意圖；(B) 銀納米線及不同複合結構透射電鏡圖；(C) 銀納米線及不同複合結構對對乙基苯甲醛分子的拉曼光譜；(D) 不同類型醛類標誌物的主成份分析；(E) 呼出混合物模擬檢測系統主成份分析。
（2）生物治療輔助平台的開發
幹細胞定向分化與調控支架：
生物相容性優越、成骨性能良好、降解速度適宜的骨替代材料的研發一直是骨缺損再生與修復領域研究的熱點與難點。如圖9，該團隊通過製備的微納結構和力學性能都與天然骨組織高度相似的有序纖維內礦化膠原（HIMC），研究了骨幹細胞在拓撲微納結構支架表面的生長作用機制。仿生合成的HIMC支架材料能夠更好的促進骨幹細胞在支架材料表面的增殖與礦化，生成的新骨量更高，分布廣泛（Adv. Mater. 2016, 28, 9589; Adv. Mater. 2016, 28, 8740; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806445）。
圖9. 仿生有序結構支架促進成骨幹細胞增殖與礦化。
柔性可變形和自運動載體治療平台：
該研究團隊設計了一種超薄可形變的納米卷，在血液環境的流動剪切作用力下，納米捲髮生形變，抑制對蛋白的非特異性吸附，解決了因蛋白非特異性吸附導致的納米材料對生物體產生安全性威脅的問題，顯著提高納米材料的生物相容性（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 14211，圖10）。
圖10. (A) 超薄納米卷透射電鏡圖；(B) 超薄納米卷液體環境下原位形變透射電鏡圖；(C) 不同形狀納米顆粒對蛋白的吸附效果；(D) 可形變超薄納米卷抑制非特異性蛋白吸附示意圖；（E）將納米卷注射到小鼠體內，實現了長時間穩定的體內磁共振生物成像。
活性氧（ROS）在細胞信號傳導、病原體防禦和體內平衡起著關鍵的作用。然而，大量的ROS會通過引起脂質過氧化、蛋白質變性和DNA損傷而對細胞產生不利影響，這些不良反應可能導致炎症、癌症等許多人類疾病。相對於細胞內部的靜態環境，實現納米清除劑在細胞內的自運動一直是主動清除ROS研究的熱點。鑑於此，該團隊以中空納米粒子為載體，通過負載血紅素，以氯化血紅素催化分解ROS產生的化學能為動力源，設計了一種高效清除細胞內ROS的自我驅動系統（如圖11），有望作為與氧化應激相關的臨床病症治療劑（Chem 2019, 5, 2378-2387）。
圖11. （A）不同空心矽球的擴散路徑；（B）氧化應激下NMSNs具有更強的自運動性；（C-D）細胞內活性氧清楚情況；（E）不同材料下活鼠耳炎活性氧清除能力。
王鐵研究員團隊
導師介紹
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