近期，交大科研人员在太阳能转换、挠曲电致巨大类压电效应、细胞生物力学、巨型噬菌体结构和感染机制等领域接连取得研究进展。
科研创新，交大在行动！
｜目录｜
西安交大一附院世界首创腹腔镜辅助全肝移植术
西安交大研究团队提出“仿生门控”柔性传感新模式
西安交大科研人员在太阳能转换研究领域取得重要进展
西安交大科研团队在挠曲电致巨大类压电效应及其调控方法方面取得进展
西安交大科研团队在智能手机TOLED屏下ToF深度图像恢复方面取得创新研究成果
西安交大科研团队在细胞生物力学领域取得新进展
西安交大科研人员在巨型噬菌体结构和感染机制研究方面取得重要进展
西安交大科研人员在可见光诱导铁氧化还原催化选择性转换生物质制备甲酸方面取得新进展
西安交大一附院
世界首创腹腔镜辅助全肝移植术
主要成果
腹腔镜肝脏移植技术一直以来是世界外科学界最具挑战性的制高点之一。近日，交大一附院肝胆外科吕毅教授团队取得重大突破，在世界范围内首次运用磁辅助快速血管吻合技术，在腹腔镜辅助下成功实施3例全肝移植术。
目前2例患者已顺利恢复并出院，1例患者术后平稳，恢复良好。这三例手术的成功实施，打破了腹腔镜全肝移植禁区，推进了腹腔镜外科和移植外科手术技术的革新和发展，标志着全肝移植正式迈入微创时代。
成果介绍
通过腹腔镜实施肝移植，能够避免腹壁肌肉和神经横断，减轻术后腹壁神经和肌肉损伤所致腹壁感觉和活动度减退、瘢痕疼痛等不适，显著减少手术创伤。
吕毅教授团队2019年首次将磁辅助快速血管吻合技术应用于临床肝移植患者，将肝移植手术的“无肝期”由国际报道的30-40分钟，锐减至9分50秒，创造了新的世界纪录。经过大量动物实验，团队成功完成数十例腹腔镜下磁辅助大血管吻合的猪肝全肝移植，实现腹腔镜下单血管吻合3-6分钟，为腹腔镜肝移植手术奠定了基础。
团队经过反复论证，吕毅教授策划指导，李宇医生设计并拟定手术方案，在麻醉手术部、外科重症医学科团队配合下，肝胆外科刘学民、张晓刚、张谞丰、李宇和王善佩等医生先后成功实施3例腹腔镜辅助全肝移植术。该技术的成功开展反映了交大一附院肝移植外科的强大综合实力，对于传统肝移植手术是突破性的变革，将为更多终末期肝病患者带去生的希望。
手术团队多年潜心研究，几代肝移植团队接续奋斗，以医工交叉深度融合的创新思维，创新性地应用腹腔镜技术进行全肝移植，大大减轻患者痛苦，临床效果显著优化，开创业内先例。
西安交大研究团队
提出“仿生门控”柔性传感新模式
发表期刊
《科学进展》（ScienceAdvances）、
《先进材料》（AdvancedMaterials）
内容摘要
柔性传感器具有柔性轻薄、易于集成、便于穿戴等技术优势，可适形贴附在人体、机器人或者装备表面进行状态参数感知，广泛应用于智能穿戴、医疗康复、人机交互等领域，是我国重点发展的战略性新兴产业，探索新的传感模式对于推动柔性传感器的创新设计和技术革新至关重要。
仿生机器人滑觉皮肤
此外，该团队将“仿生门控”传感新模式应用于柔性应变传感领域，通过应变驱动微结构门控开关实现离子导电通道开合，开发了可编程门控流体应变传感器。以此开发的柔性可穿戴应变传感器实现了人体微小脉搏、发声等生理信号以及大幅肢体运动姿态等全范围的人体活动监测，在可穿戴医疗康复领域具有重要应用前景。
仿生门控流体应变传感器
上述研究工作由西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室、前沿科学技术研究院、中国航发涡轮院、西安交通大学第一附属医院组成的学科交叉、校企联合团队合作完成，研究团队开发的柔性传感器已应用于脑卒中交互式康复等多个领域。西安交通大学为论文第一完成单位，博士生李胜和罗永松为论文第一作者。
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西安交大科研人员
在太阳能转换研究领域取得重要进展
发表期刊
《先进功能材料》
（AdvancedFunctionalMaterials）
内容摘要
金属卤化物钙钛矿材料具有吸收系数高、载流子扩散长度长、光学带隙可调等优点，成为目前引人注目的光电器件材料。器件的稳定性对进一步的发展变得越来越重要。全无机钙钛矿CsPbX具有在光、热、湿条件下更佳的稳定性。特别是通过调节钙钛矿材料中卤素离子（X=I-，Br-，Cl-等）获得的混合卤化物钙钛矿材料可以精确地调节材料的光学带隙。然而，卤素取代导致了光致卤化物偏析现象。
针对以上关键问题，电子与信息学部电子科学与工程学院电子陶瓷与器件教育部重点实验室阙文修教授团队构建了一种CuInSe2（铜铟硒）量子点掺杂的钙钛矿薄膜电池器件，有效抑制了钙钛矿薄膜的光致卤化物偏析现象，并揭示了量子点在钙钛矿晶粒成核过程中的作用及分布。同时，通过Pb-Se相互作用降低了薄膜内部Pb离子不饱和配位缺陷密度。此外，飞秒瞬态吸收光谱和荧光光谱证实了量子点具有强电子提取能力，并抑制了载流子复合。本工作通过低温溶液法实现了环境条件下高效率及较高稳定性的钙钛矿太阳能电池器件，为探索钙钛矿卤化物离子迁移通道、观察动态相变和跟踪量子点位置状态提供了一种简单的方法。
CuInSe2量子点掺杂的钙钛矿薄膜电池中的电荷分离
上述工作以《CuInSe2量子点辅助全无机钙钛矿太阳能电池中的成核调控和卤化物离子锚定》为题，发表于材料领域国际著名期刊《先进功能材料》（AdvancedFunctionalMaterials）。
常见的高效太阳能转换技术除了光伏外，还有太阳能海水淡化。基于界面蒸发的太阳能海水淡化技术具有低成本、节能、环境友好等优势，是一种可持续的淡水获取技术，可一步直接从海水中制取饮用水。近年来，随着各类高效蒸发器的研发，太阳能转换效率得到了显著提高，已经接近商用价值。然而，同传统的海水淡化技术一样，都面临着盐分污染问题，不可避免地影响蒸发器的性能和寿命。
针对这一问题，阙文修教授团队受电子二极管可以单向导通电子启发，构建了一种可量产的、具有选择性盐离子迁移的非对称太阳能蒸发器，有效阻止了盐颗粒在蒸发器表面析出，并揭示了非对称太阳能蒸发器中的阻盐机理。仅以低成本的椰壳布作为原材料，对其蒸发部分进行碳化后得到光热层，其余部分作为输水层，进一步通过将蒸发面制成梯形并加宽宽边输水层，最终得到非对称蒸发器。该太阳能蒸发器可实现在4倍标准太阳辐照强度、14wt%NaCl的浓盐水中持续稳定工作，表面无盐聚集。实验和数值模拟结果表明，非对称结构可以将蒸发面中最高盐浓度区域推到接近窄边疏水层的位置，缩短窄边的盐离子向下扩散距离，加快窄边的离子扩散，使盐离子更容易向窄边迁移，从而实现从宽边向窄边的选择性离子迁移，因此盐离子不会在蒸发面聚集，维持蒸发面的盐离子浓度始终低于饱和值，最终强化蒸发器的阻盐性能。本工作通过简单的材料和设计，实现了高效、阻盐的太阳能蒸发器，为设计新型大规模阻盐蒸发器提供了有益思路。
具有选择性盐离子迁移的非对称太阳能蒸发器
上述工作以《一种类二极管的可量产高耐盐非对称太阳能蒸发器》为题，发表在材料领域国际著名期刊《先进功能材料》（AdvancedFunctionalMaterials）上。
电信学部博士生刘丹为《CuInSe2量子点辅助全无机钙钛矿太阳能电池中的成核调控和卤化物离子锚定》第一作者，阙文修教授、尹行天副教授和杨亚威助理教授为共同通讯作者，西安交通大学为唯一作者单位。
杨亚威助理教授为《一种类二极管的可量产高耐盐非对称太阳能蒸发器》第一作者，西安交通大学为第一作者单位。参与该工作的还有中南大学能源学院李庆教授和邱羽副教授。
阅读论文
《CuInSe2量子点辅助全无机钙钛矿太阳能电池中的成核调控和卤化物离子锚定》
《一种类二极管的可量产高耐盐
非对称太阳能蒸发器》
西安交大科研团队在挠曲电致巨大类压电效应及其调控方法方面取得进展
发表期刊
《材料视野》（MaterialsHorizons），被选为2022年第12期封面论文
内容摘要
兼具大变形和高水平力电耦合效率的材料及器件在航天航空、重大装备、绿色能源等领域中具有重要的应用前景，发展兼具大变形和高水平力电耦合效率的材料和器件具有重要意义。
针对上述迫切需求，西安交通大学航天航空学院徐明龙教授团队以其在挠曲电效应及其调控方法的研究积累为基础，设计了“三级跳”式的巨大类压电效应实施方案：即采用具有巨大弹性变形范围的介电弹性体非压电材料，首先对其进行宏观尺度的双轴预拉伸，以改变材料微观尺度的等效电荷中心非对称性，并通过调控交联密度进一步提升挠曲电系数水平；再植入纳米驻极体颗粒并利用其与交联网络尺寸匹配的手段预设局部的微观应变梯度；最后将净电荷“注入”驻极体颗粒并巧妙地利用交联网络进行颗粒的物理约束和锁止，进一步改变微观结构中正、负电荷中心位置，增强了力电耦合效率。力学设计方面，团队利用“戳”的手段在宏观尺度上构造了巨大的局部应变梯度，实现了巨大的挠曲电效应。
利用非压电材料的挠曲电效应调控巨大类压电现象的原理
“三级跳”式方法对挠曲电效应的提升效果
巨大应变梯度的力学设计思路及类压电系数提升过程
经测量，该结构的平均等效类压电系数水平达到了4.23×103pC/N，比传统的高分子PVDF压电材料高出2个数量级，具有很好的力电耦合效率。除此之外，基于材料和结构的可设计性，本工作对应的研究方法可针对不同具体服役条件进行兼顾力学参数、几何尺寸、力电耦合系数的定制化设计。
论文的第一作者为西安交通大学航天航空学院博士生嵇辉，通讯作者为张舒文副教授和徐明龙教授，西安交通大学为文章唯一通讯单位。
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《具有超高可调控类压电效应的
挠曲电增强薄膜》
西安交大科研团队在智能手机TOLED屏下
ToF深度图像恢复方面取得创新研究成果
发表期刊
《模式识别汇刊》（IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence）
内容摘要
智能手机作为现代人最常用的移动设备，为人们日常生活带来了极大便捷。全面屏作为未来智能手机的发展趋势，能带来更加惊艳的视觉效果。在不牺牲美观的前提下，全面屏智能手机需要解决前置RGB摄像头和ToF深度相机置于透明屏TOLED（TransparentOrganicLightEmittingDiode）下拍摄的难题。由于TOLED透光率有限，在拍摄过程中存在光衍射、反射和折射等效应，不仅会导致屏下拍摄RGB图像产生模糊、色偏、细节丢失、噪声等图像质量退化问题，还会导致屏下ToF深度信息丢失，包括3D点云精度下降、X-Y方向细节丢失等。
屏下ToF拍摄原理及反射引起FPN
针对智能手机屏下ToF拍摄高质量深度图像的迫切需求，西安交通大学人工智能学院葛晨阳团队设计制作了基于智能手机的TOLED屏下ToF拍摄装置，深入研究基于深度学习的TOLED屏下ToF深度恢复算法，具体包括屏下ToF深度相机成像噪声模型分析、屏下ToF真实数据采集和大规模合成数据集生成、复数神经网络的RAW域深度恢复，不仅解决了屏下ToF深度图像和红外图像的模糊和噪声问题，而且提升了3D点云数据Z方向测量精度和X-Y方向细节分辨能力，并在屏下ToF真实3D人脸重建上验证了算法的有效性。
TOLED屏下ToF深度恢复网络
去除FPN噪声及屏下ToF3D人脸恢复效果
论文第一作者为人工智能学院博士生乔欣，指导教师葛晨阳博士，西安交通大学为第一作者单位和第一通讯单位。
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《屏下ToF深度图像恢复》
西安交大科研团队
在细胞生物力学领域取得新进展
发表期刊
《自然·通讯》
（NatureCommunications）
内容摘要
科学家发现“力”是塑形生命的关键力量，认为来自于细胞微环境中的多种力学因素对细胞功能的调控具有重要意义。但是随着发育的进行，细胞开始分化并导致细胞外基质（Extracellularmatrix,ECM）的沉积逐渐增加。因此，发育初期占主导的细胞-细胞间的力学相互作用也逐渐过渡到细胞-ECM间的力学相互作用，并达到稳态。此外，由于在体细胞微环境中包含了复杂的生化及物理因素，如何在体外重现这些动态力学作用已成为该领域研究的难点，这极大限制了探索力学因素对发育过程的影响规律及其作用机制。
针对上述问题，西安交通大学生命学院仿生工程与生物力学研究所林敏教授课题组巧妙地利用DNA具有精确互补配对的特性，通过DNA杂交和链替换反应，实现了对整合素受体（介导细胞-ECM间的力学相互作用）和钙黏素受体（介导细胞-细胞间的力学相互作用）的实时动态调控，在体外模拟了间充质发育过程的动态力学微环境。
研究发现，细胞-细胞间的力学相互作用逐渐过渡到细胞-ECM间的力学相互作用的过程，促进了间充质干细胞的转录激活因子（YAP）在细胞核内逐渐累积，并逐渐向成骨分化。针对此现象，进一步揭示了其中的力学机制：整合素受体介导细胞-ECM力学相互作用逐渐占主导并促进间充质干细胞中cofilin的磷酸化，从而使其失去解聚F-actin的能力，导致F-actin累积并形成更多的肌动蛋白帽（actincap），进而压缩细胞核，使核孔扩张，YAP主动入核速率增加，最终导致YAP核定位，从而调控干细胞的分化。研究也发现这种动态的力学作用可使干细胞形成“力学记忆”。
间充质发育过程中动态力学相互作用：钙黏素介导细胞-细胞间的力学相互作用逐渐过渡到整合素介导细胞-ECM间的力学相互作用
西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室为该论文的第一作者单位和通讯作者单位，博士生张政为第一作者，林敏教授为唯一通讯作者。参与本项工作的研究者还包括圣路易斯华盛顿大学GuyGenin教授、南京航空航天大学卢天健教授、西安医学院沙保勇教授、西安交通大学徐峰教授等。
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《整合素和N-钙黏素的动态力学黏附通过调节cofilin磷酸化介导间充质干细胞的力学感应》
西安交大科研人员在巨型噬菌体结构
和感染机制研究方面取得重要进展
发表期刊
《自然·通讯》
（NatureCommunications)
内容摘要
肺炎克雷伯氏菌被世界卫生组织界定为首要急需开发新抗生素的重点病原体之一。近期发现表明一种新型肌尾科巨型噬菌体vB_KpM_FBKp24(φKp24)可以特异性识别并感染肺炎克雷伯氏菌。但是当前对这种拥有独特尾纤维的巨型噬菌体缺乏详细的空间结构了解和足够的分子机制探索。
为深入揭示巨型噬菌体φKp24的独特结构和感染机制，西安交大科研人员联合荷兰莱顿大学、荷兰代尔夫特理工大学和英国牛津大学等科研力量，对该噬菌体的衣壳、尾部及尾纤维的结构和功能进行了综合研究。通过使用冷冻透射电子显微镜(cryo-EM)单颗粒分析方法(SPA)，结合AlphaFold2蛋白质结构预测软件和分子动力学柔性拟合(MDFF)，重构得到了高分辨率的噬菌体衣壳和尾部结构并搭建了原子模型，进而揭示了φKp24衣壳的一些不同于其他噬菌体的独特结构功能特征以及φKp24尾部在噬菌体感染过程中的收缩侵入机制。最终实验结果表明，φKp24噬菌体的尾纤维在宿主细胞表面附着后会产生显著的重新排列的构象变化。
此外，研究人员通过基因组学分析和蛋白质结构预测软件，得到了14种尾纤维解聚酶的预测结构，并构建了巨型噬菌体φKp24的尾纤维模型。同时，在实验中利用不同血清分型（K型）的肺炎克雷伯氏菌菌株对巨型噬菌体φKp24的感染性进行测试。实验结果表明，φKp24的尾纤维可以与多种不同可变荚膜多糖(CPS)类型的肺炎克雷伯氏菌靶向结合，从而证明了巨型噬菌体φKp24拥有较强的感染性和广泛的宿主范围。最近，噬菌体疗法在临床上已成功应用于治疗泛耐药性克雷伯氏菌引发的感染。
综上所述，该项研究综合应用了不同的冷冻电镜结构研究方法，结合序列分析、蛋白质结构预测、分子动力学柔性拟合、机器学习算法，以及针对克雷伯氏菌血清型测试的研究方法，深入地研究了巨型噬菌体φKp24的复杂结构和感染机制。
西安交通大学物质非平衡合成与调控教育部重点实验室为该论文的第一作者单位，西安交通大学和荷兰莱顿大学的联合培养博士生欧阳若晨为唯一第一作者，荷兰莱顿大学科学院微生物研究所ArianeBriegel教授为通讯作者。参与本项工作的还有荷兰莱顿大学的Danië教授等数人。
阅读论文
《利用复杂尾纤维感染宿主细菌的巨型噬菌体的高分辨结构研究》
西安交大科研人员在可见光诱导铁氧化还原催化选择性转换生物质制备甲酸方面取得新进展
发表期刊
《化学》(Chem)
内容摘要
发展生物质资源转换为高值化学品及能源载体是可持续发展的必然趋势。甲酸是基本有机化工原料之一，也被视为极具前景的液体储氢材料，也是生物质高效制氢的关键中间体。目前工业制备甲酸主要依赖于化石资源，且合成步骤繁琐。因此，将生物质高效高选择性地转化为甲酸对于可持续发展具有重要意义。
近期，西安交通大学前沿院李洋教授课题组利用可见光诱导廉价金属铁氧化还原催化，在室温不超过3bar氧气压力条件下，将葡萄糖、山梨醇、纤维素、麦秆等生物质及其衍生物高效高选择性转化为甲酸，产率最高可达91%(图1)。
可见光诱导铁氧化还原催化生物质高效高选择性制备甲酸
反应机理研究表明，该转化通过多次金属Fe(III)与水和底物分子/中间体形成配合物，在可见光照射下发生配体-金属电荷转移(LMCT)产生烷氧自由基，诱导碳碳键断裂，随后历经氧气捕获碳自由基、氢原子转移(HAT)、Fe(II)催化的单电子转移(SET)的路径，将生物质高效逐级氧化为甲酸(图2)。通过调控催化剂用量、氧气浓度及光照波长控制羟基自由基浓度，实现选择性转化。动力学同位素效应实验表明，氢原子转移(HAT)为该转化的决速步骤(图2)。催化剂循环实验和克级规模反应展示了该转化的潜在应用。该研究工作为复杂生物质碳碳键断裂提供了全新思路。
葡萄糖高效高选择性制备甲酸可能的催化路径
西安交通大学前沿院博士生张文敏为本文第一作者，前沿院和动力工程多相流国家重点实验室为该论文的第一通讯单位。
阅读论文
《可见光诱导铁氧化还原催化选择性转换生物质制备甲酸》
「出品/党委宣传部」
封面图/景泽昊
责任编辑/徐琛
