Nature：142億美元市場！這類材料還得繼續向大自然學習

▲第一作者：Mikhail Kryuchkov
通訊作者：Vladimir L. Katanaev
通訊單位：日內瓦大學，洛桑大學，遠東聯邦大學

DOI: 10.1038/s41586-020-2707-9

背景介紹

人工表面納米塗層技術，在能源，電子，汽車，船舶，航空航天和醫療設備行業等行業潛力巨大。粗略估計，具有納米結構表面的材料在全球市場的利潤到2027年將達到142億美元。目前的表面納米化技術只能產生有限的圖案，並且使用非環保的方法和材料。相比之下，自然界生物有不同的納米塗層，它們具有光激性、殺菌以及各種其他功能。因此，識別支配這些生物塗層形成的機制，探索其功能是重要的，也是仿生應用的先決條件，同時提供一種經濟實用生產功能性納米結構塗層的方法值得深入研究。

本文亮點

1. 作者通過實驗證明了果蠅眼角膜納米塗層的形態和功能之間的明確聯繫。單個突起組成的納米塗層具有更好的抗反射性能，而部分融合結構具有更好的抗粘連性能。

2. 本文使用了生物化學分析和基因改造技術來反向設計視網膜蛋白（Retinin）和角膜蠟作為納米結構的構造基礎，在圖靈模式中，兩者分別扮演了活化劑和抑制劑的角色。然後利用低成本的人工視網膜蛋白，與蠟混合，正向設計各種昆蟲仿生人工納米塗層，使之具有抗粘連或抗反射功能。

3. 利用逆向工程和正向工程相結合的方法，提供了一種利用可生物降解材料經濟實用地生產功能性納米結構塗層的方法。

圖文解析

圖1: 果蠅角膜納米塗層的結構、功能和組成

● 原子力顯微鏡(AFM)圖像表明，果蠅的角膜納米塗層表面分為兩種主要類型，單個突起結構（type-1）和部分融合形成山脊狀的結構（type-2）

● 相比type-1，type-2在紫外和可見光譜部分多反射50%，粘合力更小，type-1型納米塗層具有更好的抗反射功能，type-2型納米塗層的抗粘連性能更好

● 通過對果蠅眼角膜特異性蛋白分析和質譜分析，視網膜蛋白可作為圖靈活化劑的作用

圖2: 圖靈活化劑和抑制劑的遺傳操作所產生的果蠅納米塗層的結構和功能

● 視網膜蛋白抑制作用顯著地減小了納米結構的尺寸

● 脂肪酸延長酶（CG5326）和視網膜蛋白（Retinin）相互作用，並相互產生負面影響

● 視網膜蛋白（Retinin）含量上升，脂肪酸延長酶（CG5326）含量下降，顯著增加了光反射率，但降低角膜表面的粘連力

● CG5326含量上升，視網膜蛋白含量下降會導致納米結構的降解，導致抗反射和抗粘連功能的喪失

圖3：誘導視網膜蛋白在與蠟的直接結合上發生摺疊

● 脂質帶分析顯示重組視網膜蛋白與蠟的直接相互作用，對照蛋白(Dhit)不與蠟結合; 在浮選試驗中，只有在添加羊毛脂後，才會在上部餾分(T)中發現視網膜蛋白，否則在中部餾分(M)和下部餾分(B)中發現視網膜蛋白

● 使用圓二色譜評估該蛋白的二級結構，發現視網膜蛋白主要由隨機螺旋結構組成，添加不同濃度的羊毛脂，形成了有序的螺旋狀和/或圓盤狀結構

● 增加羊毛脂與視網膜蛋白混合物的濃度後，ThT螢光強度逐漸增強，而羊毛脂與兩種對照蛋白混合物的螢光保持不變

● 根據I-TASSER預測的視網膜蛋白結構，說明與蠟相互作用可能引起的視網膜蛋白結構變化

圖4: 昆蟲仿生納米塗層的設計生產

● 改變體系的不同參數設計了一系列人工納米塗層

● 不同濃度比例的視網膜蛋白和羊毛脂摻合物在玻璃上形成的納米塗層● 不同配方設計多種不同尺寸和圖案的仿生納米塗層

● 視網膜蛋白與羊毛脂比例為3:17時，產生的具有單個孤立突起結構的納米塗層在單個粘附力測量中顯示出較大的偏差

● 基於對表面親疏水性的要求，可以製備出從疏水性到親水性的人工納米塗層
原文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2707-9#Sec5