光熱效應的案例
光遺傳生物學，注入神經細胞內的納米顆粒光熱效應影響神經活動（轉載）
</p><p>有趣的是，光熱效應使心肌細胞興奮，而并不是像大腦神經細胞一樣抑制神經元的放電過程。這表明 PDA 納米顆粒可以根據靶向細胞的類型不同而增加或降低細胞的興奮性。</p><p>Barani Raman 說：“無論是心肌細胞還是肌肉細胞，其興奮性在一定程度上都取決于（納米顆粒的）擴散速度。雖然心肌細胞的活動有自己的規律，但用溫度控制納米顆粒和神經結合的基本原理是一樣的。”</p><p>不僅如此，PDA 納米顆粒還具有高度的生物相容性和生物降解性。也就是說，這種物質可以做到悄無聲息地消失在人體里。</p><p>Singamaneni 解釋道：“這就好比把咖啡伴侶倒入熱咖啡中，它會在擴散過程中溶解。如果能夠很好的控制溫度的話，就可以控制納米顆粒的擴散速度，進而影響神經元活動。這項研究證明，在被納米顆粒包圍的神經元附近進行光熱效應（將光轉化為熱）可以成為遠程操控特定神經元的一種方式。”</p><p><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2021%2F0730%2Faf5ba670p00qx27bs001od200fj00cpg00fj00cp.png&thumbnail=650x2147483647&quality=80&type=jpg"></p><p>圖 | 實驗數據示意圖（來源：Advanced Material）</p><p>作者認為，和傳統的光遺傳學相比，新型納米材料可對神經細胞進行不同檔次的調控，且操作具有微創及可逆的特點。為了更高效的利用光熱效應，該團隊還設計了一種膠原/PDA納米顆粒泡沫， 用作光熱效應的“附加貼片”。
展開 用COMSOL仿真激光在光纖中傳輸的光熱效應問題
用COMSOL仿真激光在光纖中傳輸的光熱效應問題
我想仿真激光在光纖中傳輸的光熱效應，即激光在光纖中損耗轉化為熱量的現象。
我選用COMSOL 波動光學模塊和固體傳熱模塊，添加多物理場耦合，study設置為頻域-瞬態。
具體模型如下圖所示，光纖材料為silica，外層為air，上下端口設置為數值端口。
但是計算總是顯示不收斂，初步懷疑是邊界條件的問題，請問這種結構該如何設置熱場的邊界條件？
謝謝！
唐本忠院士/王東副教授Biomaterials：負載AIE光敏劑的納米纖維薄膜用于光動力和光熱效應協同的生物防護
此外，TTVB@NM也具有較強的ROS 產生能力以及溫和的光熱效應，有利于實現光動力/光熱協同的抗菌。
圖3. 負載TTVB的納米纖維薄膜的微觀結構、活性氧產生能力、過濾效率、透氣性以及表面接觸角表征。
作者使用氣溶膠發生器制備了直徑為1 ~ 5 μm的含有致病微生物的微小顆粒以模擬人類打噴嚏或咳嗽時產生的氣溶膠（圖4），進而研究了TTVB@NM對致病氣溶膠的攔截能力。結果表明，TTVB@NM表面附著了很多病原菌，且薄膜的下表面沒有病原菌穿過。進一步的，作者將含有多種病原微生物的氣溶膠噴到薄膜表面，然后將其置于日光下輻照5或者10分鐘，結果表明，TTVB@NM可在10分鐘的陽光照射下有效滅活含細菌(抑制率為99%)、真菌(抑制率為88%)和噬菌體(抑制率為99%)的致病性氣溶膠。
圖4. 負載TTVB的納米纖維薄膜對含有病原菌的氣溶膠的過濾能力以及在太陽光下對其表面附著的病原菌的滅活能力研究。
相關研究工作目前以“AIEgen-loaded nanofibrous membrane as photodynamic/photothermal antimicrobial surface for sunlight-triggered bioprotection”為題目發表在Biomaterials上，文章第一作者為深圳大學AIE研究中心李夢博士，通訊作者為深圳大學AIE研究中心王東副教授和香港中文大學（深圳）唐本忠院士。
展開 多酚輔助制備過渡金屬二硫化物納米片用于殺滅細菌生物膜的研究
此外，MoS2-Pen納米片通過NIR驅動的光熱效應及近紅外響應的藥物釋放性能實現了光熱和藥物的協同殺菌作用，表現出優異的抗菌膜活性。此外，這項工作為超薄2D納米片的制備提供了獨特的見解，并為研究其潛在特性提供了很好的機會。
加拿大舍布魯克大學趙越教授《德國應化》：會“尬舞”的液晶聚合物致動器
目前，基于光化學異構反應、光熱效應等并結合器件不對稱結構設計等策略，已發展了諸多光響應性致動體系，廣泛用于液體傳輸、微球轉移、光驅動馬達等場合。但是，目前基于單一光響應性軟材料體系實現智能器件彎曲、扭曲、轉動等多種致動需求仍是一項挑戰性工作。
近日，加拿大舍布魯克大學的趙越（Yue Zhao）教授研究團隊制備了近紅外（NIR）染料摻雜的液晶聚合物（liquid crystal polymer, LCP）條狀致動器，一側是單軸取向的交聯液晶單疇（致動側）而另一側是交聯液晶多疇（非致動側）。該致動器基于不同的工作條件，在NIR激光照射下能夠分別執行正向/方向推動物體移動、轉向爬行、“手臂”擺動等一系列動作。致動器件的運動模式、方向及幅度具有優異的可控性，在智能機器人領域具有巨大的應用前景。
圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.
研究人員以含肉桂基交聯基團的共聚物液晶彈性體（LCE）體系為非均相交聯基體材料（下圖a），以imNi8(4)（下圖b）為刺激響應性組分構筑了光熱響應性液晶聚合物體系LCE/imNi8(4)（0.2 wt%）。該體系在974 nm處具有較強的吸收，且具有優異的UV光穩定性和熱穩定性。在980 nm激光輻照下，該液晶體系展現出良好的光熱效應：在3.9 Wcm-1 的光強下4 s內能夠達到聚合物體系的各向同性轉變溫度（TNI ~ 55 ℃），條狀LCP膜展現出優異的可逆光致彎曲行為。
光熱響應性LCP結構示意圖及性能測試。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.
當將條狀LCP膜兩端固定時，在980 nm激光（3.9 W cm-2）輻照條件下，能夠方便地實現膜表面固體棒（碳棒、玻璃棒或銅棒）的正向/反向快速傳輸（0.8 mm s-1），棒狀物的移動位置、速度能夠通過調控NIR激光進行精確控制。
展開 芝加哥大學田博之Nat. Biomed. Eng.：硅基生物界面材料，非遺傳光控神經調制
圖2：用于測量光響應的膜片鉗技術
在得到了近30種不同類型，不同尺寸的硅材料后，作者們又開發了一種普適性的測量和量化硅材料光響應的方法來優化可能的光致物理化學過程，包括電容電流，法拉第電流，和光熱效應。作者們首先利用細胞電生理記錄的膜片鉗技術來測量浸泡在生理鹽水中的硅材料表面的光響應，通過擬合不同鉗制電壓下得到的光致電流和基線電流的關系，得出了一套量化矩陣以表示材料具體的光響應幅度。
圖3：用于優化材料設計的定量矩陣
簡單來說，當起始的硅膜從單純的p型變成了p-i-n結型結構后，由于二極管顯著的內電場導致的載流子分離，光致電容電流可以提高兩個數量級。當利用伽伐尼置換反應沉積上一層金薄膜后，光致電容電流會進一步提高一個數量級，而光致法拉第電流也同時提高了兩個數量級。最后，當硅材料從微米尺度的硅膜縮小為納米尺度的硅納米線后，光電效應會趨向于零，而載流子符合導致的光熱效應則隨材料尺寸的減小而逐漸變大。
圖4：硅在光照下發生的基本物理化學過程
針對每一種光響應，作者們都優化出了最佳的材料條件，包括光熱效應最強的同軸硅納米線，僅有光致電容電流的二極管硅膜，和光致電容電流和法拉第電流都最高的金修飾二極管硅膜。針對每一種硅材料，作者都設計了匹配的生物體系來實現光控響應。
圖5：基于硅納米線實現的遠程鈣信號調控
對于硅納米線，作者們發現其幾乎只會被膠質細胞吞噬，而神經元則幾乎完全不能內吞。當用激光照射一個膠質細胞內的納米線時，膠質細胞體內的鈣離子流動可以被定點激活，而且產生的鈣波還可以依次傳播到周邊的膠質細胞甚至神經元內。這一發現證明了，將來可能使用膠質細胞內吞的硅納米線進行間接的神經元活動調節的可能性。
展開 浙江大學高長有教授課題組：仿病毒形貌和成分的自組裝納米粒子促進胞吞并提高癌癥治療效果
負載ICG仿病毒納米粒子的體外光熱治療（PTT）效果
通過MTT 法檢測負載ICG粒子對HeLa 細胞和HepG2 細胞的光熱殺傷效果。結果顯示，仿病毒納米粒子促進了所負載的ICG 的細胞傳遞，光照下引起細胞內活性氧水平的急劇升高，從而增強了細胞毒性，對細胞起到殺傷作用（圖5）。相同濃度下，按ICG、CS-g-Por@ICG、CS@ICG、VM@ICG、 VM-L@ICG、VM-T@ICG、VM-T-L@ICG 的順序，光熱殺傷細胞的效果依次增加。例如100 μg/mL 時，VM-T-L@ICG 、VM-T@ICG、VM-L@ICG 細胞存活率分別只有14%、18%和20%；形成明顯對比的是，相同條件下ICG、CS-g-Por@ICG 和CS@ICG 細胞存活率仍高達80%以上。
圖5. 負載ICG納米粒子的體外光熱效應和光熱治療效果檢測。（A）光照下（808 nm，1 W/cm2），負載ICG的納米粒子和游離ICG的光熱效應。（B-G）疊加的熒光和明場顯微鏡圖像，顯示HeLa細胞與濃度為100 μg/mL（ICG負載量25 μg/mL）的VM-T-L@ICG（B）、VM-T@ICG（C）、VM-L@ICG（D）、VM@ICG（E），CS-g-Por@ICG（F）和CS@ICG（G）共培養3小時，然后進行光照（808 nm，1 W/cm2，10 s）后ROS的產生。（H）HeLa細胞中ROS的相對濃度。數據為分析顯微鏡圖像中熒光強度獲得。
展開 港科大唐本忠院士/深大王東副教授/吉大楊英威教授AFM：新型AIE-柱芳烴智能響應型超分子雜化材料用于多模態癌癥診療
近日，香港科技大學、深圳大學AIE研究中心的唐本忠院士和王東副教授團隊與吉林大學楊英威教授合作，以“Pillar[5]arene-Modified Gold Nanorods as Nanocarriers for Multi-Modal Imaging-Guided Synergistic Photodynamic-Photothermal Therapy”為題，在Advanced Functional Materials雜志上發表了利用聚集誘導發光（AIE）分子和主客體超分子體系構筑智能納米診療藥物的相關工作，該工作使用AIE分子通過主客體相互作用與柱芳烴修飾金棒聯合用于熒光-光聲（FLI-PAI）雙模態成像指導下的光動力-光熱（PDT-PTT）協同治療，展示了基于柱芳烴的有機-無機雜化材料的重要應用，同時該工作也是柱芳烴主客體體系應用于診療一體化領域的重要進展。
該工作以水溶性柱芳烴和帶鍵合位點的AIE分子的主客體作用以及柱芳烴端基與金棒的復合作用為設計依據，利用AIE分子的熒光成像、活性氧產生特性，柱芳烴主客體識別特性和金棒的光熱效應，成功構筑了一類具有AIE特性的超分子納米雜化材料（圖1）。
圖1：基于AIE分子和柱芳烴構筑智能納米診療藥物的策略。
研究證明，成功修飾于金棒表面的水溶性大環分子可以有效消除來源于金棒穩定劑CTAB的細胞毒性，保持金棒穩定性和光熱效應，同時利用主客體作用和柱芳烴空腔使其能夠作為AIE分子的納米載體進一步用于癌癥診療應用（圖2）。
圖2：主客體作用研究、材料性能表征以及AIE分子負載驗證和定量實驗。
展開 港科大唐本忠院士/深大王東副教授/吉大楊英威教授AFM：新型AIE-柱芳烴智能響應型超分子雜化材料用于多模態癌癥診療
近日，香港科技大學、深圳大學AIE研究中心的唐本忠院士和王東副教授團隊與吉林大學楊英威教授合作，以“Pillar[5]arene-Modified Gold Nanorods as Nanocarriers for Multi-Modal Imaging-Guided Synergistic Photodynamic-Photothermal Therapy”為題，在Advanced Functional Materials雜志上發表了利用聚集誘導發光（AIE）分子和主客體超分子體系構筑智能納米診療藥物的相關工作，該工作使用AIE分子通過主客體相互作用與柱芳烴修飾金棒聯合用于熒光-光聲（FLI-PAI）雙模態成像指導下的光動力-光熱（PDT-PTT）協同治療，展示了基于柱芳烴的有機-無機雜化材料的重要應用，同時該工作也是柱芳烴主客體體系應用于診療一體化領域的重要進展。
該工作以水溶性柱芳烴和帶鍵合位點的AIE分子的主客體作用以及柱芳烴端基與金棒的復合作用為設計依據，利用AIE分子的熒光成像、活性氧產生特性，柱芳烴主客體識別特性和金棒的光熱效應，成功構筑了一類具有AIE特性的超分子納米雜化材料（圖1）。
圖1：基于AIE分子和柱芳烴構筑智能納米診療藥物的策略。
研究證明，成功修飾于金棒表面的水溶性大環分子可以有效消除來源于金棒穩定劑CTAB的細胞毒性，保持金棒穩定性和光熱效應，同時利用主客體作用和柱芳烴空腔使其能夠作為AIE分子的納米載體進一步用于癌癥診療應用（圖2）。
圖2：主客體作用研究、材料性能表征以及AIE分子負載驗證和定量實驗。
展開 清華大學核研院楊洋和化學系吉巖、張瑩瑩《Matter》：具有多重刺激響應性和多重愈合性能的柔性驅動器
這是因為該柔性驅動器復合材料結合了碳化蠶絲和柔性驅動器的各自特點：碳化蠶絲具有很好的光熱效應、電熱效應、電磁-熱效應，可將光能、電能、電磁波轉換為熱，從而引發類玻璃高分子的酯交換反應和網絡拓撲結構的改變，使柔性驅動器復合材料可用光、電和電磁波進行劃痕、孔、傷口、裂紋的自愈合；類玻璃高分子自身對熱和溶劑具有響應性，可用熱和溶劑進行自愈合/自修復。其次，柔性驅動器復合材料具有多重響應性，可用光、電、熱、溶劑來引發其可逆形變（圖1）。這是因為類玻璃高分子和碳化蠶絲具有不同的熱膨脹系數和溶脹系數，兩者在熱或溶劑中的形變程度不同，使復合材料整體發生彎曲形變。且當撤去熱和溶劑時，彎曲形狀可恢復至原始形狀。因碳化蠶絲具有光熱效應、電熱效應，柔性驅動器還可用光和電驅動其可逆形變。
綜上所述，該研究中基于類玻璃高分子和碳化蠶絲的柔性驅動器不僅對4種刺激（光、熱、電、溶劑）具有快速的響應性，還可用5種刺激（光、熱、電、電磁波、溶劑）進行劃痕、裂紋、傷口等的自愈合（圖2），且愈合后沒有明顯的機械性能和愈合效率的下降。
圖2 柔性驅動器通過電、光、電磁波、溶劑、熱愈合劃痕和針孔（a），且愈合后沒有明顯的機械性能下降（b, c）
此外，該復合材料還有其他優點，例如碳化蠶絲嵌入類玻璃高分子表層可避免多層結構的分層現象，基于環氧樹脂熱固性材料的復合材料具有很好的力學性能，類玻璃高分子的網絡流動特性使復合材料可再加工、可回收、可持續利用等。本研究中的柔性驅動器復合材料是一種有應用前景的自修復材料，特別是在建筑工業、柔性電子設備、可穿戴傳感器等領域；且有望應用于不同的場景/應用，通過周邊易獲取、方便的工具（如一束光或一滴溶劑）來自修復或引發其變形。
展開 可穿戴熱管理應用的功能材料和創新策略
(a)用高潛熱或高熱容的材料來儲存來自外界環境的熱量; (b) 隔熱層，最大限度地減少熱量傳遞到人體皮膚; (c)與空氣交換熱量的導熱材料; (d) 吸收太陽能并加熱人體皮膚的光熱材料; (e) 輻射冷卻材料，通過反射可見光并向太空發射紅外光來冷卻人體皮膚; (f) 有利于液體到蒸汽轉變的蒸發冷卻材料。
圖2.主動熱管理方法。(a)焦耳加熱; (b)主動微流控冷卻; (c)電、磁、熱制冷和加熱; (d) 熱電裝置的冷卻和加熱。
圖3.基于儲熱的個人熱管理。(a) 用于個人醫療保健的具有熱能儲存的相變水凝膠。(b) 個人熱管理的自修復式熱能儲存。(c) 高儲熱和基于熱擴散的熱調節。
圖4.用于被動熱管理的高導熱材料。(a) 在垂直方向上取向排列的導熱氮化硼復合材料; (b)具有沿平面取向結構的導熱液態金屬-彈性體復合材料; (c)導熱氮化硼納米片復合材料，可以根據制造方法在垂直方向和面內方向取向排列。
圖5.用于被動熱管理的隔熱材料。(a)用于高溫(>500°C)隔熱的芳綸納米纖維氣凝膠; (b)仿駝峰織物面料，用于消防熱防護; (c)陶瓷納米纖維氣凝膠具有優異的可彎曲性和可壓縮性。
圖6.基于光熱效應的被動熱管理。(a) AM 1.5 G太陽光譜。插圖是光熱效應加熱材料的示意圖; (b)可穿戴透明MXene & AgNP涂層，具有光驅動可愈合性能; (c)光熱治療用生物基材料微針貼片。
圖7.用于被動溫度調節的汗液蒸發。
展開 
.: 通過光熱治療和光聲成像的納米治療法治療癌癥
一直在研究PTA的形狀、大小和表面涂層對通過EPR效應或主動靶向改善其腫瘤遞送效率的影響。隨著靶向治療的進步發展，腫瘤積累已經受益于全球光熱治療的臨床前成功增加所觀察到的。此外，光熱效應可以調節TME以提高腫瘤遞送效率，這可以通過向PTA添加響應性質以使其“聰明”來進一步改善。最重要的是，已經徹底研究了新的顆粒內工程方法，以最大化非輻射能量轉移，從而導致更高的PCE。這成功地導致了多模式成像引導PTT的發展，導致在體內動物模型中同時監測治療功效和治療反應。此外，與單獨的PTT相比，將PTT與其他療法相結合可以潛在地治療激光照射范圍之外的腫瘤并獲得更好的治療效果。
文獻鏈接：Photothermal therapy and photoacoustic imaging via nanotheranostics in fighting cancer（Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/c8cs00618k）
展開 深圳大學周學昌：可回收/焊接/機械耐用/可編程的液態金屬彈性體復合材料
圖
5
（a）在NIR激光（808 nm，2W）照射下，復合物（30 vol％）的光熱效應。（b1-b5）在光熱效應的幫助下，將制成的導電復合材料焊接成不同的形狀。（c）焊接導體的八個頂點中的兩個頂點的電導率（b4）。（d）通過局部光熱焊接進行切換的LED燈泡。（e）打開LED燈期間電路（d）的I–t曲線。（f）數碼照片顯示了NIR感應將兩個LED燈泡焊接到電路上的過程。
圖
6
（a）復合材料的熱/溶劑可再加工性的數碼照片。（b）在30個加工循環的熱處理過程中，復合材料的電阻值（LM的50 vol％）。熱加工后的材料的橫截面（c和d）以及表面（e和f）的SEM顯微照片（LM的體積百分比為50％）。溶劑后處理材料的橫截面（g和h）和表面（i和j）的SEM顯微照片（LM的50 vol％）。
圖
7
（a）從復合材料中回收LM的原理示意圖。在插圖中，示出了LM與聚合物之間的氫鍵。（b）LM回收過程中的照片。步驟1：破壞復合材料；步驟2：在DMF中加熱至120℃；步驟3：用DMF洗滌；步驟4：LM沉淀（離心）；步驟5：用研缽和研杵研磨，同時用0.6M NaOH溶液處理；步驟6：液滴合并。
參考文獻
：
doi.org/10.1039/D0TA11403K
版權聲明：「高分子材料科學
」公眾號旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。如有侵權或引文不當請聯系作者修正。商業轉載或投稿請后臺聯系編輯。感謝各位關注！
展開 深圳大學周學昌：可回收/焊接/機械耐用/可編程的液態金屬彈性體復合材料
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（a）在NIR激光（808 nm，2W）照射下，復合物（30 vol％）的光熱效應。（b1-b5）在光熱效應的幫助下，將制成的導電復合材料焊接成不同的形狀。（c）焊接導體的八個頂點中的兩個頂點的電導率（b4）。（d）通過局部光熱焊接進行切換的LED燈泡。（e）打開LED燈期間電路（d）的I–t曲線。（f）數碼照片顯示了NIR感應將兩個LED燈泡焊接到電路上的過程。
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（a）復合材料的熱/溶劑可再加工性的數碼照片。（b）在30個加工循環的熱處理過程中，復合材料的電阻值（LM的50 vol％）。熱加工后的材料的橫截面（c和d）以及表面（e和f）的SEM顯微照片（LM的體積百分比為50％）。溶劑后處理材料的橫截面（g和h）和表面（i和j）的SEM顯微照片（LM的50 vol％）。
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（a）從復合材料中回收LM的原理示意圖。在插圖中，示出了LM與聚合物之間的氫鍵。（b）LM回收過程中的照片。步驟1：破壞復合材料；步驟2：在DMF中加熱至120℃；步驟3：用DMF洗滌；步驟4：LM沉淀（離心）；步驟5：用研缽和研杵研磨，同時用0.6M NaOH溶液處理；步驟6：液滴合并。
參考文獻
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doi.org/10.1039/D0TA11403K
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展開 北京化工大學徐福建教授團隊《Biomaterials》：生物礦化法合成碳酸鈣雜化納米顆粒用于溫和光熱增強的基因治療
該論文提出了利用仿生礦化的方法構建碳酸鈉雜化納米顆粒，實現了溫和光熱效應增強的基因治療。
炎癥在腫瘤的發生、發展、侵襲和轉移過程中起著重要作用，在治療過程中的細胞壞死可能會引起炎癥反應。已有研究表明，通過誘導腫瘤細胞凋亡可以避免炎癥反應。因此，開發多功能基因載體在不引起炎癥的同時增強治療效果具有重要意義。本文以組裝的海藻酸鈉膠束為模板，利用生物礦化法制備尺寸和形貌可調的海藻酸鈉-碳酸鈣雜化納米顆粒。為了同時引入溫和光熱性質和基因遞送功能，通過席夫堿/邁克爾加成反應，利用聚多巴胺包覆層將陽離子聚合物修飾到一維海藻酸鈉-碳酸鈣納米顆粒的表面。一方面，陽離子聚合物可用于基因轉染；另一方面，聚多巴胺賦予載體溫和光熱性能和光聲成像能力。實驗結果表明，在低功率密度的近紅外光照射下，溫和光熱效應可以增強細胞攝取。同時，載體的降解可以進一步促進基因釋放，從而提高基因轉染效率。這種基因療法可以在獲得更好的治療效果的同時防止炎癥反應。此外，載體還可通過超聲/光聲雙模式成像實現對腫瘤治療過程的監測。這將為腫瘤治療提供一種新的思路。
北京化工大學材料科學與工程學院博士畢業生劉艷軍為論文第一作者，徐福建教授和趙娜娜教授為本論文的共同通訊作者。北京化工大學為唯一完成單位。
該研究得到了國家重點研發計劃（2017YFA0106100），國家自然科學基金項目（51922022, 51773013，51733001）, 北京高校卓越青年科學家計劃項目（BJJWZYJH01201910010024）和中央高校基本科研業務費專項資金（BHYC1705A，XK1802-2）的支持。
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