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科学研究

2018年10月30日

“材料科学与工程” 十三五南京市重点学科——科学研究与特色


近年来本学科团队主要在材料设计及性能评估功能材料材料的制备工艺方向上开展科学研究及人才培养,并逐渐形成了一定的基础特色。

近年来,先后承担着5项国家基金、8项省基金、16项市、厅基金,完成了横向经费总额400多万的科研量,发表论文100多篇,其中SCIEI收录78篇;申请国家发明专利68项、已获得授权30项,授权实用新型专利36项,软件著作权专利22项。

(1)科学研究内容

研究方向一:材料设计及性能评估

 材料的分子设计。材料分子设计主要是通过分子计算、分子模拟,从微观分子水平上研究构成物质的基本单元— 分子及分子聚集体的结构、性质、功能、构效关系等基本原理与规律,以及分子裁剪、分子组装等分子操作技术。分子设计不仅可以用来模拟、研究现代物理实验方法尚难以为计的物理现象与物理过程(如分子在各种表面上的动态行为过程等),从而发展新的理论,而且可以用来缩短新材料研制的周期,降低开发成本。在屏幕上设计出化学上或拓朴上不同的分子,通过分子模拟预报出新分子各种稳定的聚集结构,进而预报它们应具有的物理化学性质,筛选新材料的设计方案。

‚ 材料的工艺仿真。材料的性能不仅和材料的组成、结构相关,还与其制造工艺密切相关。为了缩短试验周期、降低成本和提高产品性能,采用数字化仿真技术对智能材料成型工艺进行虚拟设计和制造。本方向致力于实现材料成型加工时的低成本化,并对特定体系,采用计算机辅助软件选择最优工艺。

研究方向二:生物功能材料

 缓释材料的研究与应用。1)肿瘤靶向治疗用缓释材料的构建研究。根据具体肿瘤如乳腺癌治疗的具体要求,将磁性粒子、石墨烯、天然高分子单体合成纳米复合水凝胶载药体系,可实现同时磁性/PH/温度三重响应性,并实现肿瘤的综合治疗。加强与生物、医学学者、专家的主动合作交流,通过体外动物实验测试缓释材料的各项性能,优化载药体系,为加快缓释材料的临床转化进程而努力。2)具有缓释功能的角膜接触镜研究。主要研究基于角膜接触镜的眼药缓释水凝胶材料的合成及生物相容性研究,利用角膜接触镜的缓释系统实现对眼部疾病的治疗和预防。

‚ 仿生骨组织修复与重建材料。使用灵活方便的骨水泥在骨缺损的临床修复中具有巨大的应用优势,但在骨诱导等性能上不足。致力于通过骨水泥智能仿生设计和优化,实现成骨性能的改善和提高。而且组织工程支架的研究趋势呈单一组分向多组分过渡,惰性材料向活性材料过渡,宏观水平向微观水平过渡,即逐步趋于智能化。致力于通过纳米改性与仿生构建融入支架研究中,探索智能骨组织工程支架的构建方法和理论。

研究方向三:材料的制备工艺

 微纳米上转换发光材料的制备与性能研究通过稀土光谱理论、红外光谱学理论、固体物理理论等相关理论,结合纳米光子学和电磁学的相关理论,对材料的组成和结构进行优化选择;通过理论与实践结合的方法,选择合适的材料合成制备方法,优化材料合成制备工艺条件及因素;实现提高上转换发光材料的转光效率、调节上转换发光材料的形貌和尺寸的目的,为高品质上转换发光材料的制备和应用提供有价值的理论依据和可行的技术方案及实验数据。

‚ 智能视光材料的研究。致力于通过镜片材料的智能化实现最佳视觉(视敏度、舒适度和保护性)。另外,在隐形眼镜材料中植入小型的葡萄糖传感器、微型无线芯片等,可作为智能传感及通讯技术的载体。

(2)科研特色

材料的设计与性能评估

石墨烯整流器的结构设计和电子输运研究。该研究对有机分子材料体系进行扩展,提出以石墨烯材料设计分子整流器并研究其电子输运特性。采用量子化学和非平衡格林函数方法计算方法,通过以下几个方面设计具有整流特性的石墨烯结构:1)考虑几何结构对电子输运的影响,研究不对称结构和形状的GNR2) 构建空穴、掺杂和氧化缺陷的GNR3)设计界面接触,研究石墨烯整流器的连接问题。通过以上三个方面发展石墨烯整流器模型,研究石墨烯整流器的电子输运特性,揭示石墨烯的整流效应,拓展石墨烯在分子电子器件方面的应用。此研究成果可应用与生物传感器的领域,是目前国际研究热点。此研究得到江苏省高校自然科学基金资助。

可见光驱动偶氮苯衍生物光分子开关偶氮苯衍生物在紫外光照射下将发生顺反异构,可以被应用于光分子开关材料。但在生物体系内,紫外光可能造成一系列不可预计的危害因此设计并合成可见光驱动的偶氮苯光分子开关已逐渐引起研究者的关注。计算与模拟方法可以在分子的微观层面上对体系进行深入的研究,在分子设计方面有其独特的优势。该研究采用理论计算与模拟的方法设计可见光驱动的偶氮苯光分子开关,其研究成果可应用于离子通道、分子表面修饰、分子剪裁、光动力纳微米机器等与智能材料密切相关的领域。研究方向紧跟国际前沿,在国内先进水平。

聚合物体系的分子动力学模拟计算。分子动力学模拟是研究软物质物理性质、完善软物质理论的重要手段,而被模拟对象的力学模型直接关系到模拟结果的可靠性和有效性。用真实模型取代简单的一般模型进行的模拟,不仅可以取得与实验相对应的观测数据从而完善修正现有的软物质理论,还可用于预测未知材料的物理性质和作为极端实验条件下材料性质的预研究从而大大降低新材料的研发成本。该研究所采用粗粒化建模方法是一种新的建模方法,该课题探究建模参数的影响因素,拓展真实模型的适用范围,归纳真实模型的建模原则。预期此项研究会在软物质模拟方法理论及新型软物质材料的研发方面有良好的应用前景。此研究得到江苏省博士后科研资助计划资助。

② 生物功能材料

具有仿生特性的角膜接触镜眼药载体的构建及其控释性能的研究。作为药物载体,角膜接触镜可延长药物的停留时间,控制药物的释放速度,增加药物的使用效率,降低副作用,同时又具有使用简单、方便等特点,在眼药传递领域引起了广泛关注。本研究以制备具有抗蛋白质吸附和生物相容性的水凝胶角膜接触镜、实现药物在其中的装载与控释为研究目标,拟将壳聚糖引入水凝胶主链以防止角膜接触镜中的细菌滋生,同时赋予水凝胶角膜接触镜可降解特性;拟用透明质酸和壳聚糖对水凝胶进行表面改性,以提高角膜接触镜的抗蛋白质吸附性和生物相容性;拟在水凝胶中引入环糊精以实现药物的装载与控制释放,同时对其控释行为进行研究。此项研究水平在国内领先,并获国家自然科学基金资助。

荧光标记智能磁靶向载药体系的研究。该研究采用短链(亲水性)或长链(亲油性)荧光化合物对高分散、强磁响应铁氧体进行荧光标记,并以该荧光标记纳米铁氧体为核、热敏性聚合物单体及脂质体等为骨架壳,设计出分别具有亲水或亲油特性且携带化疗药物(阿霉素或紫杉醇)的荧光标记智能磁靶向载药体系。通过体外模拟实验,研究该体系的磁响应和荧光示踪机制,探索其药物缓释机理,探讨靶向定位热疗方法。该体系借助磁场精确定位和依靠荧光标记显像示踪,通过热诱导降解或生物降解原理实现药物缓释,并通过交变磁场下纳米磁性粒子的升温效应达到辅助热疗作用。该项研究将磁靶向、荧光示踪、药物缓释、磁热效应等技术有机结合,形成一类具有多功能协同效应的智能载药体系,为构建能临床应用的智能磁靶向载药系统提供有价值的理论依据和可行的技术方案及实验数据。此项研究是国际热点领域,研究水平国内先进水平。此研究得到国家自然科学基金江苏省自然科学基金教育部重点实验室基金项目资助

智能仿生骨组织修复与重建材料方面

智能仿生骨修复材料。骨科临床需要骨水泥使用灵活方便的基础上,还要具有“主动修复功能”和“可控生物响应特性”的功能。骨水泥在满足灵活、生物安全性前提下,应能够主动适应骨组织的生理环境(组织学、力学、化学环境)要求,从而达到对病/缺损骨组织的有效修复,或恢复、重建其生理功能,统称为生物适配性。生物适配性是骨水泥在人体环境服役并与骨组织相互作用的关键所在。利用生物工程学和组织工程学的理念,在骨水泥可任意塑形、使用灵活方便的基础上,以壳聚糖和胶原蛋白制备弹性可降解高分子支架,支架经微创手术导管植入缺损部位后可自然展开,再将研制的磷酸钙/硅酸钙复相纳米骨水泥注入弹性可降解高分子支架孔道中,最终构建出弹性可降解高分子支架复合复相纳米骨水泥,构建了具有仿生梯度结构的骨修复材料。在骨科修复材料灵活使用的前提下,彻底解决了骨科修复材料的生物适配性问题,确保了骨修复材料在机体内的安全使用,延长其服役寿命,此研究已达到国内领先水平,将为临床骨水泥的应用提供可靠的理论和技术支持。

③ 光电功能材料

微纳米上转换发光材料的制备与性能研究。本研究选择合适的材料合成制备方法,优化材料合成制备工艺条件及因素;实现提高上转换发光材料的转光效率、调节上转换发光材料的形貌和尺寸的目的,为高品质上转换发光材料的制备和应用提供有价值的理论依据和可行的技术方案及实验数据。此项研究成果可以用于医学生物标记、生物检测和医学成像、医用光防护材料等领域。研究水平国内先进水平。此研究得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金资助。

智能光响应镜片材料研究。本项目从分子设计角度出发,提出具有热稳定性好、光密度高、带有荧光特性的螺噁嗪类光响应镜片材料的设计方法。研究共设计合成6个取代基不同的新型双螺噁嗪光响应材料,考察它们的光学性能和荧光性能,考察材料取代基电负性、共轭性对光学性能的影响,并结合量子化学计算建立有关化合物结构和性能的定性及定量关系模型,探寻其对这类材料光学性能、荧光性能、成膜性能、光致变色开环体的热稳定性能、抗疲劳性能等的影响规律,为智能光响应镜片材料的设计奠定基础,期待得到具有热稳性好、光密度高、带有荧光特性螺噁嗪类光致变色信息存储新材料


 

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