十年磨一篇《Nature》！仿果蠅眼睛的抗反射塗層有望實現大規模製造

包括果蠅在內的許多昆蟲能在夜間飛行自如，這是因為它們的眼睛都被一層薄而透明的塗層覆蓋。該塗層由微小的突起組成，具有減少光反射的作用，從而使昆蟲能在黑暗條件下捕捉到微弱的光。這是由於角膜表面上的納米結構在空氣的折射率與塗層的折射率之間形成了折射率梯度。此外，該塗層還具備出色的抗粘性能，能為昆蟲的眼睛提供物理保護，以防止空氣中微小的灰塵顆粒。然而，想人工實現這樣的塗層則相當困難。當前的表面納米成像技術只能產生有限的圖案，而在節肢動物中，角膜納米塗層的形態非常多樣，其微凸狀結構可以組織成陣列或脊狀等結構。最關鍵的是，這種仿生塗層的形成機理尚不明確。

瑞士日內瓦大學的Vladimir L. Katanaev教授等人經過十年的研究，揭開了形成這種納米塗層的秘密，證明了果蠅角膜上納米塗層的形態和功能之間的明確聯繫。研究發現，由單個突起組成的納米塗層具有更好的抗反射性能，而部分合併的結構則具有更好的抗粘附性能。此外，作者利用轉基因細菌，低成本地製造出了視網膜蛋白，並將這種合成蛋白與角膜蠟混合，以對各種具有昆蟲樣形態、抗粘連或抗反射功能的人造納米塗層進行前瞻性設計。作者提供了一種通過可生物降解的材料來低成本地生產功能納米結構塗層的方法。該研究以題為「Reverse and forward engineering of Drosophila corneal nanocoatings」的論文發表在《Nature》上。

【十年磨一劍】

早在1960年代末期，科學家就在飛蛾中發現了覆蓋在眼睛表面的納米塗層。它由密集的網絡組成，這些網絡由直徑約200納米，高度幾十納米的小突起組成，具有減少光反射的作用。通常昆蟲的角膜能反射約4％的入射光，而有塗層的角膜能實現零反射。這樣的功能性塗層引起了Katanaev教授的興趣。十年前，他就投身於這一研究領域。2011年，他和他的團隊率先在果蠅的眼睛上發現了納米塗層。這種昆蟲比飛蛾更適合科學研究，尤其是因為它的基因組已被完全測序。於是，一系列的研究便圍繞果蠅展開。

十年後的今天，作者用一篇《Nature》揭示了這種塗層的秘密。該塗層僅包含兩種成分：一種是叫視黃素的視網膜蛋白，另一種是角膜蠟。這兩種成分分別發揮激活劑和抑制劑的作用，視網膜蛋白與蠟接觸後，會形成球狀結構和納米級的排布；蠟在過程衝起抑制劑的作用。兩者互相作用，最終形成納米抗反射層。科學家利用轉基因細菌，低成本地製造出了視網膜蛋白，並將其純化後與商業用蠟混合，塗覆在玻璃和塑料表面，獲得了具有抗反射和抗黏合性能的仿生納米塗層。該方法成本非常低，並且是基於可生物降解的材料。獲得仿生納米塗層具有抗粘著和抗反射功能，在隱形眼鏡、醫用植入物等物體表面領域具有較高的實際應用價值。

圖1 果蠅角膜納米塗層的結構，功能和組成

【阿蘭圖靈的助攻】

對於塗層結構的形成機理，Katanaev教授及其同事在2015年提出，納米塗層的形成與英國數學家Alan Turing在1950年代提出的形態發生機制模型有關。該模型認為，兩個分子會自動結合，以產生規則的斑塊或條狀圖案。第一個用作激活器，啟動一個過程，在此過程中出現特殊的模式並自我放大。但是它也同時刺激了第二個分子，後者起著抑制劑的作用，並且擴散得更快。該模型使得可以在宏觀尺度上解釋自然現象，例如在豹子上的斑點或斑馬上的條紋，而在微觀尺度上卻從未得到驗證。

通過生化分析和基因工程的應用，Katanaev教授及其同事成功地確定了由圖靈開發的反應擴散模型涉及的兩個組成部分，即視黃素和角膜蠟。視黃素起著活化劑的作用：由於其最初是無結構的形狀，當與角膜蠟接觸時便呈球狀結構並開始產生圖案。另一方面，角膜蠟起抑制劑的作用。兩者之間的強大作用導致了納米塗層的出現。

圖2 果蠅納米塗層的結構和功能是由於對活化劑和抑制劑進行基因操作而產生

圖3 直接結合角膜蠟引起的視黃素摺疊

【人工納米塗層的實現與應用】

在揭示了塗層的形成機理之後，作者又進一步提出了以極低的成本生產視黃素的方法。作者將其與玻璃和塑料表面上的不同商業角膜蠟混合，能夠非常輕鬆地重現納米塗層。它的外觀與昆蟲中發現的塗層相似，並且具有抗反射和抗粘著性。而且，該研究可以在幾乎任何類型的表面上沉積這種納米塗層。初步測試表明，該塗層可以在水中浸泡20小時。它的防反射性能已經引起了隱形眼鏡製造商的密切關注，而其防粘性能也可能會吸引醫療植入物的生產商。除了成本低之外，該塗層還具有完全可生物降解的優勢。

圖4製備仿昆蟲的納米塗層

總結：作者實現了視黃素的低成本生產方法，將其與蠟混合後，可在人造表面上形成昆蟲樣形態的納米塗層。通過改變視黃素和蠟的成分、比例和覆蓋面積，可生成具有多種特性的、通用性強的、穩定且環保的表面納米圖案。該工作揭示了在自然界中如何創建多功能納米塗層，並將這些知識轉化為技術應用。作者通過數學模擬、遺傳學、生物化學和正向工程相結合來實現了這一目標。

原文連結：

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

來源：高分子科學前沿

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