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机械系曲良体教授团队在湿气产电领域取得重要进展

生命学院刘万里课题组发文报道自身免疫疾病相关的调控B淋巴细胞活化和分化新机制

材料学院朱宏伟教授课题组合作在孪晶结构催化水分解取得新进展

电机系李琦、何金良在高温电容器介质薄膜方面取得重要进展

药学院张永辉课题组发文揭示疫苗佐剂研制新靶点

机械系曲良体教授团队在湿气产电领域取得重要进展

10月9日，清华大学曲良体教授和程虎虎助理研究员团队在《自然通讯》（NatureCommunications）上发表题为（Interface-mediatedhygroelectricgeneratorwithanoutputvoltageapproaching1.5volts）的研究论文。该论文发展和构建了一种新型的湿气发电材料和器件(hygroelectricgenerator,HEG)。该研究建立了异质结构的氧化石墨烯材料的制备方法，利用其对湿气变化超灵敏的特点，通过界面设计辅助和调控内部载流子的输运行为，首次将单个湿气发电器件的输出电压提高到1.5V，并且成功为商用的用电器件进行供电。

新型的能量转化与存储技术对于社会的发展起着极其重要的作用。人类生活的环境中存在大量的能量源泉，比如太阳能、风能和水能等，人们已经成功开发了太阳能电池、风力发电机和水力发电机等将这些能量转化为电能，为日常活动提供便利。然而，将自然界中水分扩散过程直接用于产生电能并不多见。

本项研究工作开创性地利用氧化石墨烯作为基础材料，通过激光加工技术实现了材料内部含氧官能团的异质分布，辅助界面设计构建肖特基结进行载流子的运动调控，建立了一种全新的湿气产电器件，实现了湿气扩散直接转化为电能的过程。在湿气刺激下，单个器件（亚厘米尺寸）可以产生高达1.5V的电压（与商用的纽扣电池相当）。此外，通过简单的层层组装进行有效的串联，实现了高达18V的输出电压，能够成功为商用的LED阵列和数码管供电。该工作开发了一种全新的湿气产电器件，为设计高效、高输出的新型能源器件奠定了基础，作为一种新型清洁能源器件，展现出巨大的应用前景。

（a）湿气发电器件串联示意图；(b)输出电压随器件串联数量的变化；(c)湿气发电器件给商用的电容器充电；(d–f)湿气发电器件为发光二极管阵列和数码管等电子元器件供电

近年来，研究团队专注于先进材料和新型微纳器件，及在能源、环境等领域的应用研究。在湿气产电领域开展了大量原创性工作，并取得了多项重要成果。前期工作发表在《先进材料》（AdvancedMaterials）、《能源与环境科学》(Energy&EnvironmentalScience)、《德国应用化学》（AngewandteChemieInternationalEdition）、《先进功能材料》（AdvancedFunctionalMaterials）、《纳米能源》（NanoEnergy）等知名国际期刊上。

清华大学机械系2016级博士生黄亚鑫为本文第一作者，曲良体教授和程虎虎助理研究员为本文的通讯作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-018-06633-z

生命学院刘万里课题组发文报道自身免疫疾病相关的调控B淋巴细胞活化和分化新机制

10月4日，清华大学生命学院刘万里课题组在《科学》（Science）期刊发表题为《自身免疫病相关IgG1变异体调控B细胞活化及分化》的研究论文，报道人类膜联免疫球蛋白IgG1重链胞内区存在增加系统性红斑狼疮（SLE）易感性的单核苷酸多态性位点（SNP），并揭示该SNP参与调控B细胞命运决定的新机制。

SLE是最常见的自身免疫疾病之一，以产生多种自身抗体、免疫复合物沉积并累及多器官为临床表现，造成一系列并发症，其发病机制至今尚不清楚，导致治疗手段有限且无法根治。因此探究SLE的发病机制一直是基础免疫学和风湿免疫病学关注的重点和难点。B淋巴细胞是抗体免疫应答的核心效应细胞。在生理条件下，其通过分泌防护性抗体来清除入侵机体的病原体，从而保护人体的健康，并且留给人体记忆性免疫力。然而，在病理条件下，具有自身反应性的B细胞在被异常激活后能够分泌识别自身抗原的抗体，这些自身抗体进而对自身组织进行攻击并引起抗体介导的免疫反应，对机体造成损害。具有自身反应性的IgG型记忆性B细胞在人体中广泛存在，而且SLE等自身免疫疾病常伴随大量自身抗体的产生。

基于上述两点事实，刘万里课题组提出IgG型B细胞受体（IgG-BCR）的异常活化可能参与到SLE等自身免疫病的发病过程中这一猜想。通过与北京大学人民医院牵头、北京大学深圳医院和北京大学第一医院参与的北大医学风湿免疫病学专业的合作研究，刘万里团队和栗占国团队共同发现人类膜联免疫球蛋白IgG1重链基因IGHG1上的SNP（rs117518546）在SLE患者中显著增加，该SNP导致人类膜联免疫球蛋白IgG1第396位甘氨酸突变为精氨酸（IgG1-G396R）。

SLE易感基因突变IgG1-G396R改变Grb2在免疫突触中的招募方式

进一步的临床指标相关性分析表明，携带该SNP的SLE患者产生更多更广泛的IgG1型的自身抗体，发生炎症反应的风险增加，疾病活动指数也更高，揭示该SNP为新的SLE易感基因位点。刘万里团队进一步利用该SNP的基因敲入小鼠，发现在自身免疫诱导模型中，携带该SNP的小鼠产生更多、更广泛的自身抗体，而这依赖于B细胞受抗原刺激后大量自身反应性浆细胞的分化。与此同时，刘万里团队探索了该SNP对正常疫苗接种激发的抗体应答的影响，发现该SNP的纯合型携带者的流感病毒特异性IgG1抗体应答显著高于未携带该SNP的健康志愿者。

这一结果表明，该SNP对调控IgG型B细胞介导的抗体应答的具有典型的“双刃剑”效应：一方面促进机体中能识别非我抗原的防护性抗体的产生，帮助机体抵御病原体入侵；另一方面在免疫系统异常的情况下，促进识别机体自我抗原的记忆性B细胞产生自身抗体，加剧SLE的发生和发展。

在分子机理层面的研究中，刘万里团队发挥其实验室多年来的研究特色，整合高速高分辨率活细胞单分子成像平台和单分子轨迹追踪算法，揭示该SNP显著延长IgG-BCR活化后招募的下游信号分子Grb2在B细胞免疫突触中的驻留时间。进一步实验揭示该SNP突变通过形成新的激酶-底物间的氨基酸残基相互作用，显著增强了Lyn激酶结构域与ITT基序的结合，进而极大的促进了Lyn对ITT基序的磷酸化效率，从而延长了Grb2在免疫突触中的停留时间，更有效促进Grb2-BTK-PLCγ2信号小体在免疫突触中的形成，促进B细胞免疫活化后向分泌抗体的浆细胞分化的命运决定。

本论文从疾病易感基因位点的临床遗传学研究出发，开展大样本多中心临床相关性分析，再到基于基因修饰小鼠的动物模型研究，和基于新型成像技术和常规生化分析的受体活化信号通路解析，最后到基于分子动力学模拟的蛋白互作面的三维结构研究。这一系列的研究结果加深了人们对SLE易感基因位点功能及致病机理的认识，为SLE研究提供了全新的研究靶点，也为复杂疾病相关易感基因位点的研究提供了创新性的研究模式。

值得一提的是，该研究发现了在以汉族人为代表的东亚人群中广泛存在，但在欧美人种中极少存在的SLE易感SNP，为在中国罹患SLE的近百万患者，提供精准医疗的潜在靶点和理论支持，具有重大的潜在的社会意义和经济价值，是书写在祖国大地上的研究成果。

清华大学生命学院2018年1月份已毕业的陈相军博士为论文第一作者，清华大学生命学院和免疫学研究所刘万里研究员为论文通讯作者，北京大学人民医院风湿免疫科栗占国教授为论文的共同通讯作者。

刘万里课题组长期致力于使用新型的高速高分辨率的活细胞单分子荧光成像技术，结合传统的分子免疫学、生物化学和生物物理学研究手段，对B淋巴细胞免疫识别、免疫活化及相关免疫疾病的致病机理进行研究。2011年到清华独立工作以来，以通讯作者（含共同）在《细胞》《白血病》《科学免疫学》《美国科学院院报》等知名期刊上发表多篇论文。

论文链接：

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/10/03/science.aap9310

材料学院朱宏伟教授课题组合作在孪晶结构催化水分解取得新进展

10月4日，清华大学材料学院朱宏伟教授课题组合作在《先进能源材料》（AdvancedEnergyMaterials）上发表了题为《孪晶结构BiVO4光阳极促进载流子的分离和传输提高产氧性能》（TwinStructureinBiVO4 PhotoanodesBoostingWaterOxidationPerformancethroughEnhancedChargeSeparationandTransport）的研究论文。该论文提出了制备具有孪晶结构的BiVO4光阳极的方法，验证了孪晶结构形成的同质结有利于促进载流子的分离和传输从而提高BiVO4的产氧性能。

BiVO4具有较小的带隙（~2.4eV）、合适的能带结构和较好的稳定性，是目前有发展前景的光阳极材料之一。但是，BiVO4的载流子的分离效率低和传输过程缓慢显著增大了载流子的复合。BiVO4单晶体几乎没有晶体缺陷，能够有效降低载流子在BiVO4体内的复合。然而，单晶体的非定向且长距离传输依然会增大载流子的复合；而具有孪晶结构的BiVO4单晶颗粒提供的“背靠背”的势垒和定向传输有利于促进载流子的分离和传输，从而显著提高BiVO4的光电化学性能。

图1、图2.孪晶结构有效提高产氧性能的原理图

课题组通过退火电沉积得到的BiOI纳米片（加钒源），获得了具有孪晶结构单晶颗粒组成的BiVO4薄膜。由于BiVO4内的孪晶结构所形成的同质结有效促进了载流子的分离和传输，其产氧性能得到了显著的提升（图1和图2）。对于BiVO4光阳极，孪晶颗粒比例占比最高的光阳极在1.23 VRHE下的产氧电流密度是孪晶颗粒比例占比最低的光阳极的两倍左右。

另外，为了减少暴露的基底表面带来的载流子的复合位点，通过“沉积-退火循环”法（图3）提高BiVO4在基底的覆盖度。所获得具有最优孪晶结构和覆盖度的BiVO4光阳极在0.6和1.23 VRHE下的电流密度分别为~2.1和~3.1mA/cm2，在0.6 VRHE下可以得到1.35%的转换效率。该BiVO4孪晶的制备方法，为其它具有孪晶结构的半导体的制备提供了参考和借鉴。

图3.“沉积-退火”循环制备方法示意图

近年来，朱宏伟教授团队专注于低维材料的可控制备、性能表征及应用技术开发，在环境/能源、柔性器件领域取得了多项重要成果。相关工作发表在《化学学会评论》（ChemicalSocietyReviews）、《先进材料》（AdvancedMaterials）、《先进能源材料》（AdvancedEnergyMaterials）、《纳米快报》（NanoLetters）、《科学进展》（ScienceAdvances）等期刊上。

本文第一作者为清华大学材料学院2016级博士生黄美榕，通讯作者为朱宏伟教授和北京大学李志宏教授。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201802198

电机系李琦、何金良在高温电容器介质薄膜方面取得重要进展

10月3日，清华大学电机系李琦副教授、何金良教授及合作者在《先进材料》（AdvancedMaterials）期刊上发表了题为《一种显著提高聚合物电介质高温储能特性的通用化、高通量、环境友好的制备方法》（AScalable,High-ThroughputandEnvironmentallyBenignApproachtoPolymerDielectricsExhibitingSignificantlyImprovedCapacitivePerformanceatHighTemperatures）的研究论文。该论文提出了一种可规模化的高温聚合物电容器薄膜制备方法，可大幅提高聚合物电容器薄膜在高温下的介电储能特性，有望与现有聚合物电容器薄膜制备生产线相结合实现产业化，解决电容器在电力电子、航空航天和电动汽车电控系统中面临的过热损坏难题。

电介质电容器具有极快的充放电效率和超高的功率密度，是一类极其重要的功率型储能器件，在电网调频、电磁武器、电力电子变换器、新能源汽车以及脉冲功率系统中发挥着关键作用。然而以聚合物电介质材料为主体的薄膜电容器热稳定性差，无法在高温环境下稳定工作。尤其在高电场作用下，温度升高会导致聚合物电介质内部泄漏电流呈指数上升趋势，造成充放电效率及储能密度急剧下降，无法满足应用需求。更严重的是，泄漏电流转变成焦耳热，使电容器温度持续上升，最终损坏。长期以来，国内外学者主要通过纳米掺杂来提升电容薄膜的高温介电储能性能，但目前无法实现规模化制备及应用。工业界的解决方法是引入冷却系统将工作环境温度降至电介质材料最高使用温度以下。例如，丰田普锐斯混合动力汽车电控系统使用冷却系统将环境温度从120-140摄氏度降至70-80摄氏度。然而，冷却系统的存在无疑会增加动力系统的质量和体积，降低燃料使用效率。

高温电容器聚合物电介质薄膜规模化处理的工艺方法示意图

为解决上述问题，课题组提出采用等离子体增强化学气相沉积技术在聚合物薄膜表面快速沉积具有宽能带隙的纳米绝缘层，以提高电极/介质界面处的电荷注入势垒，从而抑制聚合物电介质薄膜在高温下的泄漏电流，大幅提高了聚合物电介质薄膜在高温、高电场下的储能特性。该方法能够实现在大气压条件下快速沉积，具备连续处理的能力；其室温沉积特性使得该方法直接适用于任意聚合物介质薄膜。通过引入卷对卷薄膜加工技术和动态沉积，可实现规模化、连续化生产。该方法具有无污染、简便、高效、低成本等特点，并且可与现有聚合物电容器薄膜生产线相兼容。目前课题组已在该技术领域申请多项国内专利和PCT专利，并正与相关企业联合进行产业化开发。

薄膜沉积区照片、电介质薄膜表面纳米绝缘层断面扫描电镜图和薄膜高温介电储能特性

近年来，李琦副教授专注于先进电介质材料的基础研究和产业化开发，在材料结构设计和加工方法等领域取得了多项重要成果。相关工作发表在《自然》（Nature）、《美国科学院院刊》（PNAS）、《先进材料》（AdvancedMaterials）、《材料研究年度评述》（AnnualReviewofMaterialsResearch）等期刊上。

该论文第一作者为清华大学电机系2014级博士生周垚，通讯作者为清华大学电机系李琦副教授、何金良教授以及美国宾夕法尼亚州立大学王庆教授，合作者还包括清华大学电机系曾嵘教授、胡军副教授及中科院电工研究所邵涛教授。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805672

药学院张永辉课题组发文揭示疫苗佐剂研制新靶点

9月27日，《细胞》（cell）期刊在线发表了清华大学药学院张永辉课题组题为《甲羟戊酸通路是新的疫苗佐剂制药靶点》（Themevalonatepathwayisadruggabletargetforvaccineadjuvantdiscovery）的药学研究论文，首次发现甲羟戊酸通路可作为新型疫苗佐剂的理性设计药物靶点，并阐述了具体的分子作用机制。

佐剂是疫苗的一部分，能帮助疫苗更快速、持久地产生免疫应答。在现代疫苗的研发中，佐剂有着不可或缺的作用。但是到目前为止，美国食品药品监督管理局批准上市的佐剂只有铝佐剂，MF-59，AS03以及AS04等几种。新型佐剂研发的窘境一定程度上归咎于业界对佐剂的作用机理缺乏了解，这也导致佐剂开发的新靶点也严重缺乏。

甲羟戊酸通路是细胞代谢的重要途径之一，它调控胆固醇的合成以及小G蛋白的翻译后异戊烯化修饰。甲羟戊酸激酶是甲羟戊酸通路中一个非常重要的激酶，甲羟戊酸激酶的突变会导致一种名为甲羟戊酸激酶缺乏症的自身免疫疾病。甲羟戊酸激酶缺乏症的病人会表现出体内发热等免疫刺激症状。基于这一观察，清华大学药学院张永辉团队提出抑制甲羟戊酸通路刺激免疫应答这一设想。

甲羟戊酸通路抑制剂作为疫苗佐剂的机制示意图；减少该通路代谢产物能使抗原在抗原递呈细胞中有较多保留

甲羟戊酸通路是被广泛研究的代谢通路，已有他汀类及双膦酸类药物被广泛应用于降胆固醇及抗骨质疏松。张永辉团队通过系统的药学研究，发现亲脂性的他汀类药物以及理性设计的双膦酸类药物在小鼠中都有很好的佐剂效果，并揭示其作用机制与胆固醇的调节无关。

团队进一步发现，这些药物的佐剂作用机理不同于作为危险信号、激活免疫细胞的传统佐剂机制，而是一定程度上通过影响抗原递呈细胞中小G蛋白的翻译后异戊烯化修饰，从而提高抗原在抗原递细胞中的停留时间，提高抗原递呈能力而产生佐剂效应。甲羟戊酸通路的抑制剂能够增强了机体Th1和细胞毒性T细胞的免疫应答，在多种肿瘤模型中表现出良好的抗肿瘤效果，且和免疫检查点抗体具有很好的协同作用。

该项药学研究是为数不多的基于已知临床疾病表型，发现药物设计新靶点并进行全新药物开发的案例。该研究让人们对传统的甲羟戊酸通路有了新的认识，同时也对疫苗佐剂的研发以及癌症免疫疗法提供了借鉴意义。

清华大学药学院张永辉研究员长期从事甲羟戊酸通路研究，为论文的核心通讯作者。该研究得到了清华大学许多其他课题组的协助：清华大学免疫学研究所石彦教授和刘万里教授、胡小玉教授在免疫机制研究、生物测试方面，邓海腾教授在蛋白组学方面及肽/MHC复合物定量研究方面提供了宝贵的指导和帮助。石彦教授和刘万里教授为本论文的共同通讯作者。张永辉课题组2016级博士生夏赟为文章第一作者、张永辉课题组博士后谢永华以及2015级博士生于正森为本文并列第一作者。张永辉课题组的博士生肖鸿颖，姜贵梅，周晓英，杨云云，李鑫，李丽平，韩帅及清华大学医学院、生命学院、中国军事医学科学院部分科技人员也参与了该研究。

图文|机械系、电机系、生命学院、材料学院、药学院

编辑 |粽