仿果蝇眼睛的抗反射涂层有望实现大规模制造

包括果蝇在内的许多昆虫能在夜间飞行自如,这是因为它们的眼睛都被一层薄而透明的涂层覆盖。该涂层由微小的突起组成,具有减少光反射的作用,从而使昆虫能在黑暗条件下捕捉到微弱的光。这是由于角膜表面上的纳米结构在空气的折射率与涂层的折射率之间形成了折射率梯度。此外,该涂层还具备出色的抗粘性能,能为昆虫的眼睛提供物理保护,以防止空气中微小的灰尘颗粒。然而,想人工实现这样的涂层则相当困难。当前的表面纳米成像技术只能产生有限的图案,而在节肢动物中,角膜纳米涂层的形态非常多样,其微凸状结构可以组织成阵列或脊状等结构。最关键的是,这种仿生涂层的形成机理尚不明确。

瑞士日内瓦大学的Vladimir L. Katanaev教授等人经过十年的研究,揭开了形成这种纳米涂层的秘密,证明了果蝇角膜上纳米涂层的形态和功能之间的明确联系。研究发现,由单个突起组成的纳米涂层具有更好的抗反射性能,而部分合并的结构则具有更好的抗粘附性能。此外,作者利用转基因细菌,低成本地制造出了视网膜蛋白,并将这种合成蛋白与角膜蜡混合,以对各种具有昆虫样形态、抗粘连或抗反射功能的人造纳米涂层进行前瞻性设计。作者提供了一种通过可生物降解的材料来低成本地生产功能纳米结构涂层的方法。该研究以题为“Reverse and forward engineering of Drosophila corneal nanocoatings”的论文发表在《Nature》上。

十年磨一篇《Nature》!仿果蝇眼睛的抗反射涂层有望实现大规模制造

【十年磨一剑】

早在1960年代末期,科学家就在飞蛾中发现了覆盖在眼睛表面的纳米涂层。它由密集的网络组成,这些网络由直径约200纳米,高度几十纳米的小突起组成,具有减少光反射的作用。通常昆虫的角膜能反射约4%的入射光,而有涂层的角膜能实现零反射。这样的功能性涂层引起了Katanaev教授的兴趣。十年前,他就投身于这一研究领域。2011年,他和他的团队率先在果蝇的眼睛上发现了纳米涂层。这种昆虫比飞蛾更适合科学研究,尤其是因为它的基因组已被完全测序。于是,一系列的研究便围绕果蝇展开。

十年后的今天,作者用一篇《Nature》揭示了这种涂层的秘密。该涂层仅包含两种成分:一种是叫视黄素的视网膜蛋白,另一种是角膜蜡。这两种成分分别发挥激活剂和抑制剂的作用视网膜蛋白与蜡接触后,会形成球状结构和纳米级的排布;蜡在过程冲起抑制剂的作用。两者互相作用,最终形成纳米抗反射层科学家利用转基因细菌,低成本地制造出了视网膜蛋白,并将其纯化后与商业用蜡混合,涂覆在玻璃和塑料表面,获得了具有抗反射和抗黏合性能的仿生纳米涂层。该方法成本非常低,并且是基于可生物降解的材料。获得仿生纳米涂层具有抗粘着和抗反射功能,在隐形眼镜、医用植入物等物体表面领域具有较高的实际应用价值。

十年磨一篇《Nature》!仿果蝇眼睛的抗反射涂层有望实现大规模制造

图1 果蝇角膜纳米涂层的结构,功能和组成

【阿兰图灵的助攻】

对于涂层结构的形成机理,Katanaev教授及其同事在2015年提出,纳米涂层的形成与英国数学家Alan Turing在1950年代提出的形态发生机制模型有关。该模型认为,两个分子会自动结合,以产生规则的斑块或条状图案。第一个用作激活器,启动一个过程,在此过程中出现特殊的模式并自我放大。但是它也同时刺激了第二个分子,后者起着抑制剂的作用,并且扩散得更快。该模型使得可以在宏观尺度上解释自然现象,例如在豹子上的斑点或斑马上的条纹,而在微观尺度上却从未得到验证

通过生化分析和基因工程的应用,Katanaev教授及其同事成功地确定了由图灵开发的反应扩散模型涉及的两个组成部分,即视黄素和角膜蜡。视黄素起着活化剂的作用:由于其最初是无结构的形状,当与角膜蜡接触时便呈球状结构并开始产生图案。另一方面,角膜蜡起抑制剂的作用。两者之间的强大作用导致了纳米涂层的出现。

十年磨一篇《Nature》!仿果蝇眼睛的抗反射涂层有望实现大规模制造

图2 果蝇纳米涂层的结构和功能是由于对活化剂和抑制剂进行基因操作而产生

十年磨一篇《Nature》!仿果蝇眼睛的抗反射涂层有望实现大规模制造

图3 直接结合角膜蜡引起的视黄素折叠

【人工纳米涂层的实现与应用】

在揭示了涂层的形成机理之后,作者又进一步提出了以极低的成本生产视黄素的方法。作者将其与玻璃和塑料表面上的不同商业角膜蜡混合,能够非常轻松地重现纳米涂层。它的外观与昆虫中发现的涂层相似,并且具有抗反射和抗粘着性。而且,该研究可以在几乎任何类型的表面上沉积这种纳米涂层。初步测试表明,该涂层可以在水中浸泡20小时。它的防反射性能已经引起了隐形眼镜制造商的密切关注,而其防粘性能也可能会吸引医疗植入物的生产商。除了成本低之外,该涂层还具有完全可生物降解的优势。

十年磨一篇《Nature》!仿果蝇眼睛的抗反射涂层有望实现大规模制造图4制备仿昆虫的纳米涂层

总结:作者实现了视黄素的低成本生产方法,将其与蜡混合后,可在人造表面上形成昆虫样形态的纳米涂层通过改变视黄素和蜡的成分、比例和覆盖面积,可生成具有多种特性的、通用性强的、稳定且环保的表面纳米图案。该工作揭示了在自然界中如何创建多功能纳米涂层,并将这些知识转化为技术应用。作者通过数学模拟、遗传学、生物化学和正向工程相结合来实现了这一目标。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2707-9

相关文章

微信