《AM》唐本忠院士團隊綜述聚集誘導發光凝膠: 製造、功能和應用

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【摘要】

表現出聚集誘導發射的髮色團（即聚集誘導發射發光體 ［AIEgens］）在其聚集狀態下發出強烈的熒光，但由於分子內運動的限制和自由的變化，在溶液中作為離散分子種類的發射可以忽略不計。作為具有致密相和自由空間的溶劑溶脹準固體，凝膠能夠操縱分子內運動。因此，AIE 活性凝膠因其各種獨特的特性和廣闊的應用潛力而引起了人們的極大興趣。最近，北京理工大學Zhao Li和香港科技大學唐本忠院士團隊提供了AIE 活性凝膠的全面概述。詳細介紹了所採用的製造策略，並總結了 AIEgens 的應用。此外，揭示了 AIE 部分產生的凝膠功能，以及它們的結構-性質關係。此外，還說明了 AIE 活性凝膠在不同領域的應用。最後，討論了當前面臨的挑戰和解決這些問題的潛在方法，以及 AIE 活性凝膠的未來前景，總體目標是激發對新材料和想法的研究。相關論文以題為Aggregation-Induced Emission-Active Gels： Fabrications， Functions， and Applications發表在《Advanced Materials》上。

【主圖】

介紹

凝膠是被分散介質飽和的 3D 網路。凝膠在自然界中廣泛存在，大多數生物組織以水凝膠的形式存在。凝膠雖然具有含水量大、變形能力強、潤滑性好、恢復性好、多種刺激響應特性等優點，對生命支援具有重要意義，但自然界中凝膠的種類有限，且以水凝膠居多。受大自然的啟發，開發了各種人造凝膠，其範圍也從水凝膠進一步擴充套件到有機凝膠、氣凝膠和幹凝膠。因此，人造凝膠在農業（農作物種植）、環境保護（汙水處理）、生物大分子分離（凝膠電泳）、骨科（組織填充物）、個人護理（嬰兒紙尿褲和隱形眼鏡）等眾多領域得到了應用、美容（面霜）、建築行業（隔熱材料）、電子行業（元件塗料和電池凝膠電解質）和食品行業（果凍狀食品）。雖然人造凝膠在這些傳統領域得到了廣泛的應用，但其在發光相關領域等高科技領域的應用卻很有限。

因此，該綜述的目的是對該領域進行全面、系統和深入的概述。簡要介紹凝膠和AIE，然後是AIE活性凝膠。隨後，概述了AIE活性凝膠和AIEgens 的製備策略，回顧了AIE活性凝膠的獨特功能，並討論了結構-功能關係以顯示AIE的獨特性-活性凝膠。還說明了AIE活性凝膠在不同領域的應用，以激發更廣泛和更重要的應用方向。最後，討論了持續的挑戰和未來的前景，以激發對新材料和應用的研究（圖 1）。

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圖1 該綜述內容的示意圖轉化為 AIE 活性凝膠。

凝膠、聚集誘導發射和聚集誘導發射活性凝膠

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圖2a） 凝膠的分類。b） 聚合物共價或非共價交聯的大分子凝膠和 c） 低分子量結構單元聚集的超分子凝膠的網路示意圖。

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圖3 雅布隆斯基圖。

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圖6AIE 活性凝膠：水凝膠、有機凝膠、氣凝膠、幹凝膠和奈米微凝膠。

製備

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圖7AIE活性凝膠的化學合成。a） GND 水凝膠製備的示意圖。b）TPE-［P（DMA-stat-DAA）］2 共聚物的合成路線以及從共聚物和PEODH獲得水凝膠的製備程式。c） DCG-1 凝膠的形成。d）N-AH-TPE 微凝膠的製備示意圖。

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圖9 在聚合物凝膠中摻雜 AIEgen。a） 製備魔方 （RC） 樣水凝膠的示意圖。b） 用於構建 RC 樣水凝膠的水凝膠的化學結構和示意圖。c）用於構建 RC 樣水凝膠的 AIEgens 的化學結構。d）顯示在 365 nm 紫外線照射下手動操作 RC 樣水凝膠的照片。

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圖10 在超分子凝膠中摻雜 AIEgens。a）透過封裝 AIEgens 的手性超級凝膠製備 CPL 活性奈米管的示意圖。b）在紫外光照射下拍攝的AIEgens 摻雜凝膠的照片。c）相應凝膠的PL光譜（λex=370 nm，但 TPE 為300 nm）。

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圖12a）來自低分子量凝膠劑 （LMWG）的AIE活性超分子凝膠透過非共價相互作用的分層自組裝過程示意圖。b） AIE 活性 LMWG 40的結構解剖示例。

功能性

將功能引入材料是材料科學中的一個重要課題，它為開發高科技領域的新應用提供了機會。在這種情況下，已知 AIE 活性凝膠具有許多由引入 AIE 部分帶來的獨特功能。

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圖19 凝膠誘導（增強）發射。

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圖20 AIE 活性凝膠的多模態發光特性：a-e） AIE 和 CPL，f-j） AIE 和磷光，k） AIE 和 ECL，以及 l，m） AIE 和 WPL。

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圖21 AIE 活性凝膠的刺激響應性：a，b） 熱響應性，c，d） pH 響應性，e） 光響應性，f） 化學響應性，以及 g，h） 溶劑響應性。

應用

由於所含髮色團的發光特性和凝膠本身的有趣特徵的結合，發光凝膠已被應用於許多領域。由於 AIE 機制本質上與凝膠的凝聚態相容，並且大多數 AIE 現象可以經歷“開啟”過程，因此 AIE 活性凝膠顯示出在各種高科技領域的應用潛力。在該節中，AIE 活性凝膠的應用分為兩個主要部分，即過程監控和其他應用。

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圖22 a-j） 凝膠化和 k-n） 溶脹過程的視覺化。

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圖23 視覺化親水-疏水轉變和微相分離。

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圖24 自愈過程的視覺化。

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圖25 感測器和環境應用。

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圖26 AIE 活性水凝膠致動器。a） AIE 活性雙層水凝膠致動器的結構示意圖。b） 顯示在 365 nm 紫外線照射下拍攝的水凝膠致動器的同時發射變化和複雜形狀變形的照片。

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圖27 4D列印。a-e） 同時熒光-顏色-熒光-亮度-形狀響應 4D 列印。a-c） 三臂形雙層水凝膠致動器的 3D 列印過程。d） 在日光 （DL） 和 365 nm 紫外線照射 （UV） 下，條形、三臂形和四臂形雙層水凝膠致動器的照片。e） 三臂形致動器的 4D 同時發射變化和複雜的形狀變形。

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圖29 a-d） 在資訊儲存領域的應用，e，f） 太陽能蒸汽發電，和 g） 光電子學。

總結

AIE概念的出現，為材料科學領域注入了活力。由於 AIE 髮色團的高發射聚集態或分子內限制狀態的特徵與凝膠的凝聚態特性固有地相容，因此報告和應用的 AIE 活性凝膠的數量迅速增長。簡單而直接的製造方法，例如將呈現聚集誘導發射（即 AIEgens）的髮色團摻雜到凝膠中，或直接凝膠化 AIE 活性 LMWG，推動了該領域的快速發展。由於凝膠基質中同時存在緻密相和自由空間，因此可以操縱 AIEgens 的分子內運動，從而導致開發各種刺激響應 AIE 活性凝膠。此外，許多 AIE 活性凝膠獨特的凝膠誘導（增強）發射特徵允許監測各種凝膠相關過程，這有助於瞭解凝膠在各種過程中的結構演變。結合凝膠材料的輕鬆操作，AIEgens 在其分子內運動的聚集或限制下的獨特“開啟”模式也使 AIE 活性凝膠有望用於感官應用。此外，利用水凝膠的生物相容性，AIE 活性水凝膠已應用於

生物醫學

。此外，已發現 AIE 活性 LMWG 在超分子凝膠網路中的緊密排列會誘導 AICPL、AIECL 和熒光到磷光的轉換，從而產生具有多模態發光特性的凝膠；這些凝膠在光電子學中具有潛在的應用。

儘管 AIE 活性凝膠作為新興材料平臺具有優勢和優越性，但仍有待解決的挑戰。例如，一些 AIE 活性凝膠系統的發光機制需要進一步研究和闡明。凝膠是一種特殊的聚集狀態，不同於懸浮液和固體中的聚集狀態。因此，凝膠中存在的髮色團有時會表現出不尋常的發光行為。這對於由 LMWGs 形成的 AIE 活性凝膠很明顯，其中存在於 LMWGs 中的一些髮色團不表現出 AIE 特性，但由相應的 LMWGs 形成的凝膠表現出凝膠誘導（增強）發射現象。這些觀察的潛在機制仍不清楚，因此需要系統的調查來闡明此類 AIE 和發光系統所涉及的機制。對於其他型別的 AIE 活性凝膠，應進一步檢查 AIE 部分與凝膠之間的網路關係，以允許合理和按需設計先進材料。

在材料效能方面，雖然AIE活性凝膠具有優異的發光效能，但其力學效能還有待深入研究。雖然強大的機械強度對於材料的實際應用是必不可少的，但大多數 AIE 活性凝膠，特別是源自 LMWG 的超分子凝膠，表現出較差的機械效能。因此需要開發具有優異發光效能和高機械強度的AIE活性凝膠。因此，引入雙網路凝膠、雙理化交聯凝膠、奈米複合凝膠、高分子微球複合凝膠、類四面體大單體凝膠和滑環凝膠等高強度凝膠體系可能會有效。

儘管 AIE 活性水凝膠在生物醫學中具有廣闊的應用前景，但很少有用於 AIE 活性凝膠和 AIE 活性超分子凝膠的水凝膠。在治療診斷中需要多功能 DDS。將具有光動力或光熱特性的 AIEgens 引入基於水凝膠的 DDS 可能有益於治療診斷領域。在組織工程領域，超分子水凝膠是細胞培養的有前途的平臺，因為它們具有廣泛的可調特性和良好的降解性，可以模擬細胞外細胞基質。此外，將熒光特徵引入水凝膠可能會引起細胞培養關係領域的興趣，因此開發用於該領域的生物相容性 AIE 活性超分子水凝膠是一個持續關注的特定領域。然而，尚未對此類系統在生物醫學應用中的相容性進行系統評估，這是臨床應用的必要先決條件。的確，這個問題存在於整個AIE領域，面臨諸多障礙，需要

科學家

、工程師、醫生和金融家的不懈努力才能解決。

作為一個蓬勃發展的領域，AIE 活性凝膠的初步和探索性應用已經得到檢驗，並且具有重要意義。

參考文獻：

doi。org/10。1002/adma。202100021