Advanced Science

Hydrogen production from renewable electricity relies upon the development of an efficient alkaline water electrolysis device and, ultimately, upon the availability of low cost and stable electrocatalysts that can promote oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER). Normally, different electrocatalysts are applied for HER and OER because of their different reaction intermediates and mechanisms. Here, the synthesis of a heterostructured CoP@a‐CoOx plate, which constitutes the embedded crystalline cobalt phosphide (CoP) nanoclusters and amorphous cobalt oxides (CoOx) nanoplates matrix, via a combined solvothermal and low temperature phosphidation route is reported. Due to the presence of synergistic effect between CoP nanoclusters and amorphous CoOx nanoplates in the catalyst, created from the strong nanointerfaces electronic interactions between CoP and CoOx phases in its heterostructure, this composite displays very high OER activity in addition to favorable HER activity that is comparable to the performance of the IrO₂ OER benchmark and approached that of the Pt/C HER benchmark. More importantly, an efficient and stable alkaline water electrolysis operation is achieved using CoP@a‐CoOx plate as both cathode and anode as evidenced by the obtainment of a relatively low potential of 1.660 V at a 10 mA cm⁻² current density and its marginal increase above 1.660 V over 30 h continuous operation.

Photothermal therapy (PTT) has emerged as a promising cancer therapeutic modality with high therapeutic specificity, however, its therapeutic effectiveness is limited by available high‐efficiency photothermal agents (PTAs), especially in the second near‐infrared (NIR‐II) biowindow. Here, based on facile liquid‐exfoliated FePS₃ nanosheets, a highly efficient NIR‐II PTA with its photothermal conversion efficiency of up to 43.3% is demonstrated, which is among the highest reported levels in typical PTAs. More importantly, such Fe‐based 2D nanosheets also show superior Fenton catalytic activity facilitated by their ultrahigh specific surface area, simultaneously enabling cancer chemodynamic therapy (CDT). Impressively, the efficiency of CDT could be further remarkably enhanced by its photothermal effect, leading to cancer synergistic PTT/CDT. Both in vitro and in vivo studies reveal a highly efficient tumor ablation under NIR‐II light irradiation. This work provides a paradigm for cancer CDT and PTT in the NIR‐II biowindow via a single 2D nanoplatform with desired therapeutic effect. Furthermore, with additional possibilities for magnetic resonance imaging, photoacoustic tomography, as well as drug loading, this Fe‐based 2D material could potentially serve as a 2D “all‐in‐one” theranostic nanoplatform.

AZD9291 can effectively prolong survival of non‐small cell lung cancer (NSCLC) patients. Unfortunately, the mechanism of its acquired drug resistance is largely unknown. This study shows that autophagy and fibroblast growth factor receptor 1 signaling pathways are both activated in AZD9291 resistant NSCLC, and inhibition of them, respectively, by chloroquine (CQ) and PD173074 can synergistically reverse AZD9291 resistance. Herein, a coloaded CQ and PD173074 pH‐sensitive shell–core nanoparticles CP@NP‐cRGD is developed to reverse AZD9291 resistance in NSCLC. CP@NP‐cRGD has a high encapsulation rate and stability, and can effectively prevent the degradation of drugs in circulation process. CP@NP‐cRGD can target tumor cells by enhanced permeability and retention effect and the cRGD peptide. The pH‐sensitive CaP shell can realize lysosome escape and then release drugs successively. The combination of CP@NP‐cRGD and AZD9291 significantly induces a higher rate of apoptosis, more G0/G1 phase arrest, and reduces proliferation of resistant cell lines by downregulation of p‐ERK1/2 in vitro. CQ in CP@NP‐cRGD can block protective autophagy induced by both AZD9291 and PD173074. CP@NP‐cRGD combined with AZD9291 shows adequate tumor enrichment, low toxicity, and excellent antitumor effect in nude mice. It provides a novel multifunctional nanoparticle to overcome AZD9291 resistance for potential clinical applications.

It was recently recognized that cancer therapeutic efficacy may be greatly compromised by an intrinsic protective mechanism called autophagy, by which cancer cells survive in harsh conditions such as starvation. Here, a synergetic strategy is described for cancer treatment by suppressing such a protective mechanism for augmenting tumor‐starvation therapy. The synergetic therapy is achieved by restraining glucose metabolism using an antiglycolytic agent to predispose cancer cells to severe energy deprivation; concurrently the downstream autophagic flux and compensatory energy supplies are blocked by the autophagy inhibitor black phosphorus nanosheet. Cancer cells fail to extract their own nutrient to feed themselves, finally succumbing to therapeutic interventions and starving to death. Both in vitro and in vivo results evidence the cooperative effect between the autophagy inhibitor and antiglycolytic agent, which leads to remarkable synergetic antineoplastic outcome. It is expected that such a combinational approach by concurrently blocking exogenous and endogenous nutrition supplies will be beneficial to the design of effective tumor‐specific cancer therapies in the future.

Healthcare‐acquired infections as well as increasing antimicrobial resistance have become an urgent global challenge, thus smart alternative solutions are needed to tackle bacterial infections. Antibacterial materials in biomedical applications and hospital hygiene have attracted great interest, in particular, the emergence of surface design strategies offer an effective alternative to antibiotics, thereby preventing the possible development of bacterial resistance. In this review, recent progress on advanced surface modifications to prevent bacterial infections are addressed comprehensively, starting with the key factors against bacterial adhesion, followed by varying strategies that can inhibit biofilm formation effectively. Furthermore, “super antibacterial systems” through pre‐treatment defense and targeted bactericidal system, are proposed with increasing evidence of clinical potential. Finally, the advantages and future challenges of surface strategies to resist healthcare‐associated infections are discussed, with promising prospects of developing novel antimicrobial materials.

Sự hình thành của dendrite lithium gây ra vấn đề an toàn đáng chú ý và tuổi thọ chu kỳ kém của các thiết bị lưu trữ năng lượng, chẳng hạn như pin lithium–sulfur và pin lithium–không khí. Chúng tôi đề xuất một mô hình năng lượng bề mặt để mô tả giao diện phức tạp giữa anot lithium và điện giải. Một chiến lược toàn cầu nhằm ức chế sự hình thành dendrite lithium thông qua việc điều chỉnh năng lượng bề mặt của sự phát triển màng mỏng liên quan được gợi ý. Ưu điểm của motif mới này không chỉ nằm ở việc thiết lập một mối liên hệ hoàn hảo giữa điện hóa và lĩnh vực màng mỏng mà còn thúc đẩy việc ứng dụng quy mô lớn hơn của pin lithium–sulfur và pin lithium–không khí, cũng như các pin kim loại khác (ví dụ: Zn, Na, K, Cu, Ag và Sn).

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano, vật liệu nano nhạy cảm với kích thích đã cung cấp một giải pháp thay thế cho việc thiết kế các hệ thống giao thuốc có thể kiểm soát nhờ vào tính chất có thể điều khiển không gian và thời gian. Là một loại vật liệu xốp mới, các khung hữu cơ - kim loại (MOFs) đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng y sinh, đặc biệt là trong các hệ thống giao thuốc, nhờ vào khả năng điều chỉnh kích thước lỗ, diện tích bề mặt lớn và thể tích lỗ cao cũng như dễ dàng sửa đổi bề mặt. Ở đây, những tiến bộ gần đây trong các hệ thống nhạy cảm với kích thích dựa trên MOF được trình bày, bao gồm hệ thống nhạy cảm với pH, từ trường, ion, nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, độ ẩm, phản ứng oxi hóa - khử và hệ thống nhạy cảm với nhiều kích thích để giao thuốc chống ung thư. Các thách thức còn lại và những gợi ý cho các hướng đi trong tương lai cho việc thiết kế hợp lý các loại nanomedicine dựa trên MOF cũng được thảo luận.

Các vật liệu dựa trên hydroxide kép theo lớp (LDH) đã thu hút sự chú ý rộng rãi trong nhiều ứng dụng nhờ vào cấu trúc theo lớp độc đáo với diện tích bề mặt riêng cao và phân bố electron đặc biệt, dẫn đến hiệu suất điện xúc tác tốt. Hơn nữa, sự tồn tại của nhiều cation kim loại tạo ra khả năng điều chỉnh linh hoạt trong các lớp chủ; các đặc điểm lồng ghép độc đáo dẫn đến sự trao đổi ion linh hoạt và tách lớp. Do đó, hiệu suất điện xúc tác của chúng có thể được điều chỉnh bằng cách điều tiết hình thái, thành phần, ion lồng ghép và tách lớp. Tuy nhiên, độ dẫn điện kém hạn chế hiệu suất điện xúc tác của chúng, điều này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu kết hợp chúng với các vật liệu dẫn điện để cải thiện hiệu suất điện xúc tác. Một yếu tố khác cản trở hoạt động điện xúc tác của chúng là kích thước bên lớn và độ dày khối của các LDH. Việc giới thiệu các khuyết tật và điều chỉnh cấu trúc điện tử trong các vật liệu dựa trên LDH được coi là những chiến lược hiệu quả để tăng số lượng vị trí hoạt động và nâng cao khả năng nội tại của chúng. Với những lợi ích độc đáo của các vật liệu dựa trên LDH, các dẫn xuất của chúng cũng đã được sử dụng như là các điện xúc tác tiên tiến cho quá trình phân giải nước. Ở đây, sự tiến bộ gần đây về LDH và các dẫn xuất của chúng như những điện xúc tác tiên tiến cho quá trình phân giải nước được tóm tắt, các chiến lược hiện tại cho việc thiết kế chúng được đề xuất, và những thách thức đáng kể cùng các quan điểm về LDH được thảo luận.

Việc phát triển các vật liệu năng lượng sạch và tái tạo như một sự thay thế cho nhiên liệu hóa thạch được dự đoán là giải pháp tiềm năng cho những vấn đề khẩn cấp về ô nhiễm môi trường và thiếu hụt năng lượng. Hydro là một vật liệu năng lượng lý tưởng cho tương lai, và phân hủy nước bằng năng lượng mặt trời/điện là một cách để tạo ra hydro. Các khung hữu cơ kim loại (MOFs) là một loại vật liệu xốp với những tính chất độc đáo đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng trong những năm gần đây cho các ứng dụng trong phân hủy nước nhờ vào sự linh hoạt thiết kế vượt trội, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cực lớn và các kênh lỗ có thể điều chỉnh. Bài tổng quan này tập trung vào tiến bộ gần đây trong việc áp dụng MOFs trong phân hủy nước bằng điện xúc tác và quang xúc tác để sản xuất hydro, bao gồm cả sự phát triển của oxy và hydro. Nó bắt đầu bằng các nguyên tắc cơ bản của phân hủy nước bằng điện xúc tác và quang xúc tác cũng như các yếu tố liên quan để xác định hoạt tính xúc tác. Tiến bộ gần đây trong việc khai thác MOFs cho phân hủy nước sau đó được tóm tắt, và các chiến lược cho thiết kế xúc tác dựa trên MOF cho việc phân hủy nước bằng điện xúc tác và quang xúc tác được trình bày. Cuối cùng, những thách thức lớn trong lĩnh vực phân hủy nước được nhấn mạnh, và một số triển vọng của các xúc tác dựa trên MOF cho quá trình phân hủy nước được đề xuất.

Vật liệu chiều thấp, bao gồm các điểm lượng tử, dây nano, vật liệu 2D, v.v. đã thu hút ngày càng nhiều sự quan tâm nghiên cứu cho các thiết bị điện tử và quang điện tử trong những năm gần đây. Hiện tượng photogating, thường được quan sát trong các cảm biến ánh sáng dựa trên vật liệu chiều thấp và các cấu trúc lai của chúng, đã chứng minh đóng vai trò quan trọng. Photogating được coi là một phương thức điều chế dẫn điện thông qua điện áp cổng gây ra bởi ánh sáng thay vì đơn giản và hoàn toàn quy cho các trạng thái bẫy. Bài tổng quan này đầu tiên tập trung vào lợi ích của photogating và tiết lộ sự khác biệt với hiệu ứng quang dẫn truyền thống. Sau đó, các cơ chế gây ra hiện tượng photogating do trạng thái bẫy và cấu trúc lai, bao gồm nguồn gốc, hình thành và đặc tính của chúng sẽ được thảo luận. Tiếp theo, những tiến bộ gần đây về photogating do trạng thái bẫy và cấu trúc lai trong cảm biến ánh sáng chiều thấp sẽ được trình bày chi tiết. Mặc dù một sản phẩm băng thông lợi suất cao lên đến 10⁹ Hz được báo cáo trong một số trường hợp, tuy nhiên phải thực hiện một sự thỏa hiệp giữa lợi suất và băng thông đối với loại photogating này. Photogating chung được đưa ra theo ba nghiên cứu báo cáo rất gần đây. Photogating chung có thể cho phép đạt được cả lợi suất cao và băng thông cao đồng thời, mở ra con đường khám phá các cảm biến ánh sáng hiệu suất cao mới.