近日
在国际顶级刊物《自然》上
浙大科研团队又发表了两项
重磅科研成果
让我们一起来看！
光电科学与工程学院/国际联合学院（海宁国际校区）的狄大卫教授团队通过分子掺杂，实现了钙钛矿半导体从n型到p型的连续转变，同时可以保持极高的发光性能。
医学院王迪教授课题组发现，当人体组织受到损伤，会激活巨噬细胞进入一种“超活化”状态，在细胞膜上形成GSDMD蛋白孔洞作为通道释放特定脂质分子来促进组织损伤修复。
半导体材料是现代电子信息产业的核心，它的发展为我们的生活持续带来便利和变革。作为领域内的“新星”，钙钛矿半导体受到广泛关注。近日，浙江大学光电科学与工程学院/海宁国际联合学院的狄大卫教授团队通过分子掺杂，实现了钙钛矿半导体从n型到p型的连续转变，同时可以保持极高的发光性能。在可控掺杂的基础上，团队研制出具有简单结构的钙钛矿LED，并创造了溶液法LED的高亮纪录，达到了116万尼特。
这项研究成果，于2024年9月11日，发表在国际顶尖学术刊物《自然》，论文标题为Controllable p- and n-type behaviours in emissive perovskite semiconductors，浙江大学是论文的唯一完成单位和通讯单位。通讯作者为浙江大学光电科学与工程学院/海宁国际联合学院的狄大卫教授和赵保丹研究员，第一作者为浙江大学2020级博士生熊文涛。
“掺杂”是半导体领域的基础概念。半导体材料之所以如此广泛应用于电子技术，关键在于它们可以通过掺杂实现p型和n型两种不同的导电特性。
对于传统半导体而言，通过“掺杂”，即在晶格中引入杂质，可以实现对其电学性质的有效控制。例如，在硅中掺入硼，可以使其成为主要传导正电荷（空穴）的p型半导体，而掺入磷则可以使其成为主要传导负电荷（电子）的n型半导体。p型和n型半导体之间形成的p-n结，是现代电子技术的基础。在p-n结界面处，电子和空穴会发生复合，产生随电压急剧变化的电流，从而实现整流、放大、开关等基本功能，再应用在各种电子器件中。对半导体电学性质的调控，催生了包括二极管、晶体管、太阳能电池、探测器、LED和半导体激光器在内的革命性发明。
钙钛矿卤化物是一种新型半导体，在太阳能电池、LED和激光器等器件中表现出优异的光电性能，且易于低成本制备，在近年来得到广泛关注和应用。但由于其结构和成分较为复杂，如何实现对其电学特性的精确调控是领域的重要挑战。之前的研究尝试了多种方法，但难以在保持高发光效率的同时获得良好的电学调控。
“作为半导体家族的一员，钙钛矿理应跟其他半导体材料一样，可以通过掺杂调整载流子的极性和浓度”，狄大卫说，“我们进行的一系列实验也证实了这一点：在引入掺杂后，钙钛矿的费米能级(即电子的预期能量)，从半导体带隙的高能级侧逐渐向低能级侧移动。这意味着钙钛矿能够实现从有利于传导电子(负电荷)的n型，向有利于传导空穴(正电荷)的p型转变。"
团队使用的掺杂剂——4PACz，在过去被广泛用作高效钙钛矿太阳电池的超薄分子层材料。赵保丹说：“我们偶然发现，4PACz这种实验室里非常常见的材料，由于它具有强烈的吸电子能力，当作为掺杂剂引入钙钛矿半导体时，可以有效地将原本是n型的钙钛矿转变为p型。同时，在引入掺杂后，钙钛矿半导体仍然保持着很高的荧光效率。此外，我们也发现了适用于钙钛矿的n型掺杂剂。”
当我们可以对钙钛矿半导体的电学性质进行有效的控制，就为各种电子器件的设计和制造铺平了道路、开拓出空间。
通常，钙钛矿LED会同时包含电子传输层和空穴传输层，以实现高效载流子注入，从而保证器件的卓越性能。不包含空穴传输层的简化钙钛矿LED结构具有制备成本低、可复现性高的优势，但通常发光效率较低。
但通过可控掺杂技术，研究团队成功制备出不包含空穴传输层且性能优异的钙钛矿LED。与此同时，与常规LED相比它还显示出巨大优势。“令人惊喜的是，引入4PACz掺杂制备的p型钙钛矿LED，不仅结构简单，而且实现了116万cd/m²（116万尼特）的最高亮度，以及28.4%的外量子效率和23.1%的能量转换效率。”熊文涛介绍，“这些器件的超高亮度刷新了溶液法LED（包括OLED、量子点LED和钙钛矿LED）的纪录，其能量转换效率为可见光钙钛矿LED的最高水平。”
进一步，团队通过器件建模和光学测量，对这些高性能钙钛矿LED的工作原理进行了探究，结果与他们先前的理解高度一致，即掺杂引起的p型导电行为和载流子复合区的变化，是这些无空穴传输层器件卓越性能的主要贡献因素。
“能够控制钙钛矿半导体中载流子的极性和浓度，意味着新型器件设计和功能开发的可能性。我们研制的高亮钙钛矿LED和p-n结二极管只是一些初步演示。可控掺杂的钙钛矿半导体有望带来新一代光电器件。”狄大卫说。
上述研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金支持。
磕碰造成的外伤、手术留下的伤口、随着年龄增长带来的肌肉退化，这类常见的组织损伤是生活中不可避免的一部分，损伤修复和组织再生的快慢直接影响着人体的身体状态和健康。炎症反应对组织损伤后的修复至关重要，一些临床研究表明，术后过早使用抗炎药可能会导致伤口愈合不良。因此，深入研究早期炎症是如何驱动后期组织重建，其重要性不言而喻。
浙江大学医学院王迪教授课题组发现，当人体组织受到损伤，会激活巨噬细胞进入一种“超活化”状态，在细胞膜上形成GSDMD蛋白孔洞作为通道释放特定脂质分子来促进组织损伤修复。9月11日，团队在《自然》杂志发表该研究成果，论文题为Gasdermin D-mediated metabolic crosstalk promotes tissue repair。
巨噬细胞是一种遍布人体，参与炎症反应的关键免疫细胞。GSDMD作为巨噬细胞上介导炎症反应的关键因子，在抵御病原体入侵和炎症性疾病中发挥重要功能。以往的研究认为，机体遇到危险时会促使GSDMD活化,在细胞膜上打孔形成孔道并引发细胞焦亡。
然而，课题组在实验中发现，在组织损伤修复过程中，巨噬细胞上形成的孔道并不都会导致细胞死亡。此时的巨噬细胞仍然保留特定功能并处于一种“超活化”状态。
那么“超活化”状态的巨噬细胞是如何影响组织损伤修复的呢？
课题组猜想，这种巨噬细胞是否会通过GSDMD孔道主动分泌生物活性代谢物等效应因子，来影响邻近细胞或参与塑造其所处的组织微环境呢？
沿着这条线索，课题组惊奇地发现，巨噬细胞在释放炎症因子的同时，确实也通过GSDMD分泌一些特异性的代谢物。
通过对体外“超活化”巨噬细胞上清液和体内肌肉间质液进行代谢组学分析，多种筛选策略的结果都指向了同一种脂质代谢物——11,12-EET，它在GSDMD激活后主动释放到损伤组织的微环境中。
组织修复离不开干细胞的增殖和分化能力。这一过程中，干细胞并非“孤军奋战”，它需要周围其他细胞的协助支持。如果把干细胞比作一颗充满无限希望的种子，它的萌芽和成长离不开土壤给予养分。在这里，干细胞需要的“土壤”就是它所处的损伤微环境。
巨噬细胞作为这个微环境中的重要一员，通过分泌促/抗炎介质、生长因子和其他生物活性分子发挥一系列复杂作用，但巨噬细胞与其他细胞类型之间的代谢通讯，以及这些胞间通讯如何共同协调促进组织修复的探索较少。
因此，团队从“关键点”11,12-EET入手，采取双管齐下的研究策略，一方面通过外源性直接补充11,12-EET，另一方面通过在小鼠巨噬细胞中敲除其水解酶，从而在内源层面提升11,12-EET的含量。这两种策略的结论都有力地证明，11,12-EET在促进肌肉干细胞激活和增殖中发挥着积极的作用。
更重要的是，课题组发现11,12-EET的促再生潜力依赖于GSDMD在巨噬细胞与肌肉干细胞之间形成有效的代谢物传递通道。这一发现阐明了一种巨噬细胞和干细胞之间新型的代谢物通讯方式，拓展了我们对细胞膜上孔道功能的新认识。
在组织修复过程中，由于损伤微环境中促进再生因子的浓度往往处于较低水平，机体需要依赖一系列精准调控的策略来放大这些关键信号的传导，以实现快速高效的组织修复过程。
通过分析对照和11,12-EET处理的原代肌肉干细胞的转录组数据，课题组进一步发现，11,12-EET能够帮助损伤微环境中促修复的生长因子凝聚，有效放大生长因子传导的下游信号，从而加速组织修复和再生进程。
既然11,12-EET有促进干细胞活化的能力，那么这种功能是否具有更加广泛的应用场景呢？
课题组成员将11,12-EET的治疗潜力扩展到肌肉损伤、角膜损伤和皮肤损伤多种模型中，发现11,12-EET表现出广泛的促修复功能。更令团队成员惊奇的是，它能够通过扩大肌肉干细胞储备帮助衰老小鼠恢复肌肉活力，并可以促进人肌肉组织中原代肌肉干细胞的增殖。
团队成员池哲勖说：“这为11,12-EET临床转化应用的前景提供了有力的支持，为伤口愈合、创面修复和衰老肌肉退化等病症的治疗提供了新的思路。”
浙江大学医学院/附属邵逸夫医院王迪教授、浙江大学平台“百人计划”研究员池哲勖为本文通讯作者，池哲勖研究员、浙江大学医学院附属第二医院住院医师陈晟和浙江大学医学院/良渚实验室博士后杨德航为本文共同第一作者。本研究得到了浙江大学医学院附属第二医院丁克峰教授、肖乾教授、浙江大学医学院附属邵逸夫医院“百人计划”研究员尚敏、中科院上海营养与健康研究所副研究员李俞莹等课题组的支持与帮助。该研究受到国家自然科学基金杰出青年基金、重点项目等资助。
文字记者：马宇丹 查蒙 杨德航
摄影记者：卢绍庆 梁笑寒 | 高兴就好 | 部分图片由课题组提供
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