创新强国！看交大最近科研进展

1、西安交大科研人员在农业劳动力短缺有效应对机制研究领域取得新突破

2、西安交大科研人员在超声血脑屏障开放和原位脑胶质瘤治疗研究领域取得新进展

3、西安交大科研人员构建仿生纳米材料有效截断肿瘤能量供应

4、西安交大科研人员在细胞力学研究领域取得新进展

5、西安交大科研人员在大规模储能用水系有机液流电池研究领域取得新进展

6、西安交大科研人员构建高质量罂粟属多基因组破译隐藏800万年的进化之谜

7、西安交大科研人员构建多组分金属笼用于可见光催化反应

8、西安交大科研人员在高比能锂离子电池研究领域取得新进展

9、西安交大科研人员在DNA复制、抗菌策略领域取得重要成果

10、西安交大科研人员在催化剂设计和能源转化方面取得重要进展

《美国农业经济学杂志》

（American Journal of Agricultural Economics）

西安交通大学经济与金融学院青年教师罗添元博士与美国佐治亚大学（University of Georgia）教授Genti Kostandini博士合作撰写的《移民密集型产业对严厉的移民限制政策的应对机制分析》（Stringent Immigration Enforcement and Responses of the Immigrant-intensive Sector）一文，使用合成控制方法(Synthetic Control Method)和来自多个来源的数据，研究了农业部门因为劳动力供给减少的工资变化以及其他各样的应对机制。该研究主要确定了农业应对劳动力变化的有效机制，并通过有效的理论模型来预测劳动力要素价格对要素供给变化的最终结果。该文是第一项针对21世纪农业发展与工资、资本使用、生产组合和农业技术创新的互动关系的研究。

一个部门在经历了劳动力供给显著减少之后是否会出现工资水平的上升是劳动力经济学一直关心的问题。如果某一生产部门没有经历所期望的工资水平的变化，那么该部门所用来调整生产结构以缓解劳动力供给减少冲击的有效机制则更值得我们关注。在目前无论是发达国家还是发展中国家都面临的农业劳动力减少的大背景之下，该研究发现农业部门会使用作物组合调整而不是工资调整和采用新的农业技术来缓解劳动力供应的冲击。如果没有成熟的可用的机器或者技术来替代劳动力，农业部门往往会改变作物组合（从劳动密集型作物转为资本密集型作物），即使农业部门的利润会因此而有所下降。这项研究的另一个新的发现是劳动力短缺在刺激生产部门的机械使用以及技术创新方面的作用有限。Rybczynski理论提出在一个小型开放经济体中，当某一固定要素比率因生产组合调整而不变时，要素价格将对要素投入的相对变化保持不变。该研究的结果是对Rybczynski理论的进一步验证，同时提出生产部门在保持劳动力工资不变情况下所实施的产品结构的调整将会减少生产部门的创新和竞争。

该研究提供证据表明劳动力规模大幅度减少并不一定会增加工资或资本使用，而生产部门往往会通过改变产品结构来减缓劳动力冲击。另外，产业创新和研究对于劳动力减少的反应也是相对滞后的。这项研究确定了产品结构调整是生产部门应对劳动力要素减少的主要机制。

文章的第一作者以及通讯作者为西安交通大学经济与金融学院青年教师罗添元博士。

《先进功能材料》

（Advanced Functional Materials）

血脑屏障（Blood-brain barrier, BBB）是介于血液与脑组织之间的一种保护性生理屏障，可以起到调节大脑稳态，防止某些物质不受控制地从血液进入脑组织，从而保护大脑正常功能的作用。但BBB的存在也导致大分子药物和超过98%的小分子药物不能通过血液进入大脑，从而给脑部疾病治疗的药物递送带来了重大挑战。低强度聚焦超声作用下微泡的空化效应能引起BBB的短暂开放，为各种药物(包括化疗药物和携带药物/基因的纳米颗粒以及抗体等)的脑部递送提供了新途径。

基于内源性ROS响应心型纳米颗粒

联合PLUS调控自噬治疗脑胶质瘤的示意图

脑胶质瘤是中枢神经系统脑肿瘤中最常见和最具侵袭性的肿瘤亚型，具有较高的发病率和死亡率。由于通过BBB输送足够剂量化疗药物的挑战，以及神经胶质瘤细胞相对完整地离开BBB侵入周围大脑等多种原因，使得脑胶质瘤治疗难度很大。近日，西安交通大学研究人员利用肿瘤细胞内源性活性氧（ROS）水平明显高于正常细胞的特性，设计构建ROS响应型携药高分子PTX-TL-PEG1K-3-MA，并与DSPE-PEG2K-Angiopeg-2自组装制备得到一种ROS响应型的载药纳米颗粒，其中Angiopeg-2肽能够与脑胶质瘤和内皮细胞表面过表达的低密度脂蛋白受体相关蛋白1（LRP 1）特异性结合。他们利用这种ROS响应型纳米颗粒，在脉冲聚焦超声联合微泡作用开放血脑屏障的基础上，实现了化疗药物和自噬抑制剂在原位脑胶质瘤部位的靶向精准递送，从而达到对脑胶质瘤的协同高效治疗。

西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室是第一单位，西安交通大学生命科学与技术学院博士生吴鹏英为文章第一作者，博士生朱明婷和李燕为该文章共同第一作者，通讯作者为宗瑜瑾教授和万明习教授。

《生物材料》

相较于放疗、化疗等肿瘤治疗方法，针对与肿瘤生长、增殖、转移等行为密切相关的能量供给的饥饿疗法由于其更高的安全性、较低的耐药性等优势吸引了越来越多的关注。该疗法的基本理念是利用功能材料改变肿瘤组织内血管的生理状态，抑制肿瘤组织内营养物质的运输以切断肿瘤的能源供应，从而实现肿瘤的杀灭。因此，将破坏现有肿瘤血管的手段与抑制VEGF诱导的新血管生成方法相结合有望实现更有效的肿瘤治疗。然而，针对血管的治疗方法仅着眼于营养物质的运输，而营养物质的利用才是产生肿瘤生成所需能量的根本。鉴于线粒体是肿瘤能源转化的重要工厂，在破坏现有的肿瘤血管并抑制肿瘤血管生成的同时赋予材料引发肿瘤线粒体功能障碍的能力，对于高效截断肿瘤能量供应至关重要。

针对上述问题，西安交通大学化工学院陈鑫教授团队与西安交通大学药学院张彦民教授团队通过简单的水解-缩合反应制备了疏水单元（N-叔丁基丙烯酰胺，TBAM）和葡萄糖衍生物（三硫酸化N-乙酰氨基葡萄糖，TSAG）共改性的介孔二氧化硅纳米粒子（MSNMG），作为血管内皮生长因子（VEGF）的仿生亲和剂。其将作用于VEGF的疏水结构域和带正电荷结构域以实现抗血管生成。基于介孔二氧化硅纳米粒子易于表面的功能化的特点，研究团队精准调节了TBAM与TSAG的比例，在两者比例达到2:1时实现了最佳的治疗效果。同时，研究团队利用MSNMG的多孔结构负载康普瑞汀A4-磷酸盐（CA4P，血管破坏剂）及维生素K2 （VK2，ROS生成剂），进一步在其表面构建透明质酸冠层，制备仿生纳米材料（CVMMGH）。这种材料在使用后能通过CD44受体介导的结合进行肿瘤靶向，并在透明质酸酶的作用下暴露TBAM/TSAG基团并释放出CA4P和VK2，逐步实现CA4P诱导的肿瘤血管破坏、VEGF捕获引起的血管生成抑制及ROS 产生导致的线粒体功能紊乱，同时从肿瘤组织营养物质的传输和利用两个方面着手完全阻断肿瘤能量供应，实现精确高效的肿瘤治疗及转移抑制。

该研究工作由西安交通大学化工学院陈鑫教授团队和西安交通大学药学院张彦民教授团队合作完成，化工学院硕士研究生于小倩、药学院博士后苏琪为该文章共同第一作者，陈鑫教授与张彦民教授为共同通讯作者。

《自然—通讯》

力学在生物体发育过程中扮演着重要角色，随着细胞生物学的快速发展，力学因素在细胞尺度上的调控作用受到越来越多的关注。在不同类型、不同状态的活细胞粘弹性响应中，存在着一个统一的标度律响应。尽管已有非常多的模型用于探究细胞的流变学行为，然而，细胞标度律响应是如何自发产生的？力学在其中扮演什么样的角色？标度律指数中又蕴含着什么样的物理规律？这些问题仍待解答。

不同种类的细胞都展现出统一的标度律行为

近日，西安交通大学航天学院徐光魁教授团队通过考虑细胞诸多组分的细胞结构建立了揭示活细胞标度律流变学响应机制的自相似多级结构模型，并受结构模型启发，建立了自相似的多级结构理论模型，揭示了标度律流变学的形成机制，发现了细胞刚度在标度律指数变化中的调控作用，给出了标度律指数与细胞刚度的统一关系以及相应的物理规律，不仅可以自发地再现蠕变柔量随时间或复模量随频率变化的标度律响应规律，还实现了标度律指数与细胞刚度的普适关系。模型预测结果与不同类型的细胞、不同状态的细胞实验数据都相吻合。该研究表明，细胞材料普适的标度律响应主要取决于其统一的结构特征，而不是具体的分子特性。该项研究不仅可以为生物组织材料的仿生设计和应用提供理论基础，还可以为医学诊断、药物开发以及预后评估提供新的思路和理论指导。

细胞的标度律流变学响应

自相似的细胞多级结构模型

西安交通大学航天航空学院多尺度力学—医学交叉实验室博士生杭久涛为论文第一作者，西安交通大学航天航空学院多尺度力学—医学交叉实验室教授徐光魁、新加坡南洋理工大学教授高华健为论文通讯作者。

《德国应用化学》

(Angew. Chem. Int. Ed.)

在“碳达峰、碳中和”目标驱动下，以光伏、风电为代表的清洁可再生能源将逐渐占据能源结构主体地位。然而，这些新能源发电方式受自然条件影响，存在间歇性、波动性和不可控的缺点，严重制约了该类新技术的大规模应用。水系有机液流电池作为一种新型的大规模储能技术，具有低成本、高安全、功率和容量独立设计等特点，有望解决制约太阳能、风能等新能源技术大规模应用的瓶颈问题。

紫精类氧化还原活性分子以其成本低、水溶性高、氧化还原可逆性好等特点，是迄今用于水系有机液流电池负极活性材料的最优选择之一。然而，水溶性紫精分子体积较小，易在电池循环过程中穿透隔膜发生渗透；同时，还原态紫精自由基分子稳定性差，容易发生结构异化。这些不利因素导致紫精类水系液流电池容量衰减快、服役寿命短，极大限制了其规模化应用。

针对上述问题，西安交通大学宋江选教授团队采用分子空间结构调控策略，在紫精分子主体结构—联吡啶环的2,2,6,6-四个位置接枝甲基，得到了一种渗透率低、稳定性高且氧化还原电位更负的新型“棒状”紫精分子（R-Vi）。研究人员通过二维核磁共振谱（2D-NOE）和密度泛函理论计算确证了分子空间结构。结果表明，活性中心邻位接枝的四个甲基的电子诱导效应可显著降低紫精分子的氧化还原电位（-0.55 V vs. SHE），是目前报道紫精分子中的最低电位。更为重要的是，该策略通过空间位阻效应改变了紫精分子的空间构型，即由未改性的“S状”（S-Vi）变为“棒状”（R-Vi）。这一改变增加了紫精活性分子的尺寸（456.1 Å3增大至542.6 Å3），将分子渗透率降低至1.25×10-10cm2s-1，仅为S-Vi的14.7%。此外，“棒状”构型对紫精还原态的二聚具有抑制作用，进一步提升了紫精的循环寿命。以R-Vi为负极，K4Fe(CN)6为正极构建的水系液流电池3200圈循环后容量保持率高达77.6%，容量衰减率仅为0.007%每圈。本文提出的分子工程修饰策略提高了紫精分子的综合电化学性能，拓宽了有机活性材料的设计思路。

西安交通大学博士研究生李宏斌为论文第一作者，宋江选教授和范豪助理教授为通讯作者，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为论文唯一通讯单位。

《自然-通讯》

中药是中华民族的瑰宝，是我国具有原创优势的科技资源、重要的生态资源和优秀的文化资源。罂粟属植物作为重要的中药材，其合成的那可丁、吗啡喃类物质具有显著的止咳、止疼及抗癌功效，广泛应用于临床治疗。近日，西安交通大学信息与生物医学交叉团队在叶凯教授带领下成功构建三个高质量罂粟属物种基因组，破译那可丁及吗啡喃类物质合成通路的进化之谜，这是继2018年该团队发现了那可丁及吗啡喃类物质合成基因簇之后（Science,2018），在药用植物基因组学研究领域的又一重大突破。

叶凯教授团队精心选择了那可丁及吗啡喃类物质产量各不相同的虞美人、渥美罂粟和鸦片罂粟三个罂粟属物种，综合运用二代和三代测序及组装技术，设计开发多物种基因组深度联合挖掘及分析计算方法，成功构建了三个高质量罂粟属物种基因组，系统地阐明了罂粟属物种进化历史，揭示了那可丁及吗啡喃类物质合成通路的跳跃式进化奥秘。研究表明，在过去的近800万年间，罂粟属物种经历了不同次数的全基因组加倍，以及基因重排、复制、融合跳转等事件，共同促进了那可丁及吗啡喃类物质合成基因簇的形成。此外，发现该基因簇中的15个基因共进化、共调控，形成代谢体，为合成生物学研究提供新思路。罂粟属多物种基因组的构建及合成次生代谢产物通路进化奥秘的破译，能够极大促进该属植物药用价值深度开发研究，对药用次生代谢产物的“绿色生物制造”具有重大指导意义，为现代科学解读中药奥秘提供原创中国方案。

西安交通大学自动化学院叶凯教授为论文通讯作者，计算机学院杨晓飞副教授、自动化学院博士生高胜寒和郭立教授为论文共同第一作者。

《中国化学会·化学》

（CCS Chemistry）

单线态氧是一种高效低成本的光催化氧化反应的氧化剂。通常，能高效产生单线态氧的理想光敏剂需要同时具有强的光吸收、良好的光稳定性、溶解性以及高效的单线态—三线态系间窜越效率。然而，开发一种可同时满足上述所有要求的光敏剂是非常具有挑战性的。因此，很多研究者致力于将多种光敏剂通过共价连接整合到单个分子或聚合物中，以避免它们的光降解和自聚集，从而提高单线态氧产生的稳定性和效率。然而，共价连接过程往往需要繁琐和耗时的合成过程，并且收率低，这极大地限制了它们的实际应用。因此，迫切需要开发一种新的策略来制备具有良好稳定性和单线态氧产生能力的光敏剂。

针对这一问题，西安交通大学材料学院张明明教授课题组通过配位自组装将两种常见的光敏剂（苝酰亚胺和苯并噻唑）结合在一起，制备了一类桶状多组分金属笼。这种策略不仅通过带电荷的笼状结构之间排斥作用避免了其自聚集，而且还利用铂基配位键促进了系间窜越，提高了其单线态氧产生能力（单线态氧量子产率高达56%）。这些笼状化合物可以将一些烯类衍生物包裹进空腔内，通过可见光照产生的单线态氧将其氧化，表现出了优异的催化效率（产率＞90％）、良好的光稳定性和可重复使用性。该项研究不仅提供了一种通过配位自组装构筑具有优异单线态氧产生能力的金属笼的策略，还拓展了其在光催化氧化反应领域的应用，为金属笼在光催化方面的设计和应用提供了指导。

西安交大材料学院博士生侯亚丽为本文的第一作者，西安交大金属材料强度国家重点实验室张明明教授为通讯作者，西安交大金属材料强度国家重点实验室是论文唯一通讯单位。

《先进材料》

（Advanced Materials）

汽车产业是国民经济的重要支柱产业，也是体现国家竞争力的标志性产业。新能源汽车基于驱动技术的重大转型，是汽车产业对能源安全、气候变化和结构升级的重要突破口。近年来，以电动汽车为代表的高新技术领域对锂离子电池的能量密度、使用寿命提出了更高的技术需求，亟需开发新型高比容电极材料，解决续航里程焦虑问题。硅负极理论容量高达4200 mAh/g，十倍于传统石墨负极，被认为是新一代高比能锂离子电池负极的理想选择。然而硅负极在充放电过程中存在着巨大的体积膨胀（>300%），由此产生的内应力易导致硅颗粒的严重粉化和界面膜的不稳定，严重阻碍了其实际应用。设计新型聚合物粘合剂用于硅负极被认为是一种缓减其体积膨胀、维持其结构稳定的有效方法，受到了研究人员的广泛关注。然而，目前已报道粘合剂易在大应力下产生分子链滑移，引起电极结构破坏，最终导致电池容量快速衰减。

梯度氢键粘合剂的能量耗散次序示意图

近日，受天然抗疲劳肌联蛋白高效应力耗散现象启发，西安交通大学宋江选教授团队报道了一种梯度氢键聚合物粘合剂用于解决高比容硅基负极大体积膨胀导致的应力破坏。研究人员利用具有超支化结构的单宁酸和聚(丙烯酸-co-2-羟乙基丙烯酸酯)构建了具有高效应力耗散功能的水系粘合剂。当应用于硅基负极时，该体系存在的多级氢键（-2.88 kcal mol-1~ -10.04 kcal mol-1)可以连续解离，高效地进行能量/应力耗散，从而避免了大应力导致的结构破坏，有效解决硅负极的大体积膨胀问题，显著提升其循环稳定性。所制备的2 Ah NCM/Si-C软包电池700次循环后容量保持率高达80.2%，有力地证明了该梯度能量耗散型粘合剂的实用性。研究人员进一步通过变温红外光谱、核磁共振等表征方法并结合有限元模拟揭示了梯度氢键的演化和能量耗散机制。

西安交通大学材料学院博士生虎琳琳为文章第一作者，通讯作者为西安交通大学材料学院宋江选教授，论文合作者包括材料学院Goran Ungar教授、邓俊楷教授、张启路副教授。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一单位，

《核酸研究》

DNA复制发生在所有的生物体内，是生物遗传的基础、物种保持其独特性的根本。自1953年沃森和克里克在提出DNA的双螺旋结构模型时对DNA的复制过程进行预测以来，人类一直在探索DNA的复制过程。在所有形式的DNA复制中，高度保守的DNA聚合酶是完成DNA复制的必需。由于DNA聚合酶需要在DNA双螺旋上快速滑动，而其环状b亚基提供了滑动的可能。因此DNA的复制过程是围绕DNA聚合酶的b亚基在DNA上的装卸来进行的，DNA聚合酶的b亚基是DNA复制过程中的持续性-启动因子（processivity-promoting factor），DNA双螺旋通过在b亚基上快速滑动来完成复制。

同时由于DNA聚合酶b亚基在细菌复制、肿瘤发生中的重要性，其抑制剂的研发备受关注。多个类别的DNA聚合酶b亚基抑制剂在研发的不同阶段，并有部分小分子抑制剂获得FDA批准作为抗肿瘤药物。据悉，目前所有公布的抑制剂中（包括小分子、多肽）以及已知b亚基结合蛋白均靶向b环上的疏水口袋（hydrophobic protein binding pocket）。

冷冻电镜图像2D分类

一附院刘冰教授团队通过对细菌的天敌——噬菌体开展研究发现，噬菌体多肽Gp168可以抑制细菌DNA的合成，通过冷冻电镜的方式解析了Gp168与DNA聚合酶b亚基的复合物结构，发现了Gp168抑制细菌DNA合成的全新机制。10月7日，研究成果在国际著名期刊《核酸研究》上发表。研究指出，Gp168是迄今为止发现的首个噬菌体b亚基抑制剂，首个天然b亚基抑制剂，同时也是首个非靶向b环疏水口袋的分子。同时由于该蛋白只包含2个a螺旋，符合多肽药物的范畴。经过验证，该多肽有广谱抑菌效果。因此该研究为多重耐药菌的治疗提供全新的思路，目前临床试验正在筹备中。

b亚基与DNA结合

b亚基中的DNA被Gp168置换

西安交通大学第一附属医院硕士生刘洋为并列第一作者，刘冰教授为论文通讯作者，王亚文教授为共同通讯作者。西安交大物理学院张磊教授、基础医学院王洪亮教授为共同作者。

《自然》

（Nature）

铂催化剂是目前能源领域最重要的一类催化剂，已被广泛应用于燃料电池、水分解制氢等可持续能源系统中。应变调节能控制铂原子间距离，从而灵敏地改变其电子结构，进一步结合晶面调控可以在原子尺度上针对特定催化体系实现铂催化剂表面活性位点电子和几何结构的优化，进而获得高效铂催化剂。目前，催化剂表面应变调节主要依赖于铂在另一种材料表面的沉积（形成核壳结构）。虽然铂和其他材料之间存在晶格常数差异，但这种获得表面应变的方式难以实现应变的精准、连续调节。如何实现铂催化剂表面应变的精准、连续调控是催化领域备受关注和亟待解决的挑战性难题。

西安交大前沿科学技术研究院、动力工程多相流国家重点实验室金明尚教授研究团队在前期发现钯（Pd）纳米晶体可以通过磷化和去磷化反应实现体积连续改变的基础上，发展了一种基于铂基核壳结构的磷化和去磷化处理的全新应变调节方法。该方法可应用于不同表面结构的铂催化剂表面应变的调节，甚至有望进一步拓展至其他材料，具有普适性。该研究成果不仅可以从根本上探索应变如何影响铂电催化，而且还为制造用于可再生能源转换反应的高性能铂催化剂提供了一条有前途的途径。

利用钯基纳米立方体内核在磷化/去磷化过程中的体积伸缩调控铂壳层晶格应变

为实现铂催化剂晶格应变的精准、连续调节，该合作团队首先将铂沉积于钯基材料表面形成Pd@Pt及PdP@Pt核壳结构。在前期研究中，金明尚教授团队曾发现对钯纳米立方体进行磷化处理会引起明显的体积膨胀；相反，通过去磷化处理又可使PdP纳米颗粒体积回缩至初始状态。基于此，研究发现对Pd@Pt（PdP@Pt核壳结构）进行磷化（去磷化）处理可以获得相应的拉伸（压缩）应变。该团队进一步通过控制磷化（去磷化）程度调节实现了铂晶格伸缩程度的精准调控，得到在-5.1%到5.9%范围连续可调的晶格应变。通过原子分辨的球差电镜表征系统分析了实验条件对晶格应变的影响，并结合理论计算揭示了晶格应变能改变催化体系中关键物种在铂催化剂表面的吸附强度和吸附位点从而影响其催化活性。更为重要的是，在深入理解铂催化剂“应变—活性”构效关系的基础上，该团队通过应变优化使铂催化剂在甲醇电催化氧化和析氢反应中的活性分别提升2.5倍和1.5倍以上。晶格应变调节方法的开发为高效铂催化剂的设计和制备提供了详细的理论指导和全新的实验方法，并有望应用于燃料电池、电解水产氢产氧等领域，助力国家能源战略。

该研究工作在金明尚教授的带领下，应变调节实验和催化性能表征部分主要由金明尚教授团队博士贺天欧、博士后王伟聪完成。西安交大动力工程多相流国家重点实验室为第一单位和通讯单位。