包括果蠅在內(nèi)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涂層覆蓋。該涂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。這是由于角膜表面上的納米結(jié)構(gòu)在空氣的折射率與涂層的折射率之間形成了折射率梯度。此外，該涂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(xiàn)這樣的涂層則相當困難。當前的表面納米成像技術(shù)只能產(chǎn)生有限的圖案，而在節(jié)肢動物中，角膜納米涂層的形態(tài)非常多樣，其微凸狀結(jié)構(gòu)可以組織成陣列或脊狀等結(jié)構(gòu)。最關(guān)鍵的是，這種仿生涂層的形成機理尚不明確。
瑞士日內(nèi)瓦大學的Vladimir L. Katanaev教授等人經(jīng)過十年的研究，揭開了形成這種納米涂層的秘密，證明了果蠅角膜上納米涂層的形態(tài)和功能之間的明確聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，由單個突起組成的納米涂層具有更好的抗反射性能，而部分合并的結(jié)構(gòu)則具有更好的抗粘附性能。此外，作者利用轉(zhuǎn)基因細菌，低成本地制造出了視網(wǎng)膜蛋白，并將這種合成蛋白與角膜蠟混合，以對各種具有昆蟲樣形態(tài)、抗粘連或抗反射功能的人造納米涂層進行前瞻性設(shè)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(chǎn)功能納米結(jié)構(gòu)涂層的方法。該研究以題為“Reverse and forward engineering of Drosophila corneal nanocoatings”的論文發(fā)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(fā)現(xiàn)了覆蓋在眼睛表面的納米涂層。它由密集的網(wǎng)絡(luò)組成，這些網(wǎng)絡(luò)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，而有涂層的角膜能實現(xiàn)零反射。這樣的功能性涂層引起了Katanaev教授的興趣。十年前，他就投身于這一研究領(lǐng)域。2011年，他和他的團隊率先在果蠅的眼睛上發(fā)現(xiàn)了納米涂層。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。于是，一系列的研究便圍繞果蠅展開。
十年后的今天，作者用一篇《Nature》揭示了這種涂層的秘密。該涂層僅包含兩種成分：一種是叫視黃素的視網(wǎng)膜蛋白，另一種是角膜蠟。這兩種成分分別發(fā)揮激活劑和抑制劑的作用，視網(wǎng)膜蛋白與蠟接觸后，會形成球狀結(jié)構(gòu)和納米級的排布；蠟在過程沖起抑制劑的作用。兩者互相作用，最終形成納米抗反射層。科學家利用轉(zhuǎn)基因細菌，低成本地制造出了視網(wǎng)膜蛋白，并將其純化后與商業(yè)用蠟混合，涂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涂層。該方法成本非常低，并且是基于可生物降解的材料。獲得仿生納米涂層具有抗粘著和抗反射功能，在隱形眼鏡、醫(yī)用植入物等物體表面領(lǐng)域具有較高的實際應(yīng)用價值。
圖1 果蠅角膜納米涂層的結(jié)構(gòu)，功能和組成
【阿蘭圖靈的助攻】
對于涂層結(jié)構(gòu)的形成機理，Katanaev教授及其同事在2015年提出，納米涂層的形成與英國數(shù)學家Alan Turing在1950年代提出的形態(tài)發(fā)生機制模型有關(guān)。該模型認為，兩個分子會自動結(jié)合，以產(chǎn)生規(guī)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(xiàn)特殊的模式并自我放大。但是它也同時刺激了第二個分子，后者起著抑制劑的作用，并且擴散得更快。該模型使得可以在宏觀尺度上解釋自然現(xiàn)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(yīng)用，Katanaev教授及其同事成功地確定了由圖靈開發(fā)的反應(yīng)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：由于其最初是無結(jié)構(gòu)的形狀，當與角膜蠟接觸時便呈球狀結(jié)構(gòu)并開始產(chǎn)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涂層的出現(xiàn)。
圖2 果蠅納米涂層的結(jié)構(gòu)和功能是由于對活化劑和抑制劑進行基因操作而產(chǎn)生
圖3 直接結(jié)合角膜蠟引起的視黃素折疊
【人工納米涂層的實現(xiàn)與應(yīng)用】
在揭示了涂層的形成機理之后，作者又進一步提出了以極低的成本生產(chǎn)視黃素的方法。作者將其與玻璃和塑料表面上的不同商業(yè)角膜蠟混合，能夠非常輕松地重現(xiàn)納米涂層。它的外觀與昆蟲中發(fā)現(xiàn)的涂層相似，并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涂層。初步測試表明，該涂層可以在水中浸泡20小時。它的防反射性能已經(jīng)引起了隱形眼鏡制造商的密切關(guān)注，而其防粘性能也可能會吸引醫(yī)療植入物的生產(chǎn)商。除了成本低之外，該涂層還具有完全可生物降解的優(yōu)勢。
圖4制備仿昆蟲的納米涂層
總結(jié)：作者實現(xiàn)了視黃素的低成本生產(chǎn)方法，將其與蠟混合后，可在人造表面上形成昆蟲樣形態(tài)的納米涂層。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(wěn)定且環(huán)保的表面納米圖案。該工作揭示了在自然界中如何創(chuàng)建多功能納米涂層，并將這些知識轉(zhuǎn)化為技術(shù)應(yīng)用。作者通過數(shù)學模擬、遺傳學、生物化學和正向工程相結(jié)合來實現(xiàn)了這一目標。
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