江雷院士团队《AM》：学习自然、超越自然！从角膜到高性能隐形眼镜

　　研究液体的动态铺展过程不仅对于加深对表面超浸润性质的理解非常重要，而且对于实际需要快速获得清晰图像的高速运动的应用场景也至关重要，例如医用内窥镜、无人机镜头等，液体动态铺展的快慢直接影响到其安全性。

　　自然界中，动物角膜能具有清晰的视野，而不会出现“泪眼朦胧”的由光散射造成的模糊图像，中科院理化技术研究所江雷院士、田野研究员团队发现角膜表面的这一超快铺展特性以及对液体稳定束缚的能力和其表面的特殊结构密切相关，作者详细证明和阐述了角膜所使用的超快铺展策略。相关工作以“相关工作以“Microchannel and Nanofiber Array Morphology Enhanced Rapid Superspreading on Animals’ Corneas”发表在《Advanced Materials》上。”

　　作者发现角膜的表面具有微米槽环绕纳米线阵列的特殊结构，纳米线直径约88 nm、长度300-800 nm，微槽长度5.5-18.0 μm、宽度0.47 ± 0.13 μm，这一特殊结构赋予了其表面超快铺展的性能，一滴2 uL的水可以在830 ms内完全实现超快铺展。

　　图1 角膜表面的微米槽环绕纳米线阵列的特殊结构及超快铺展性质

　　作者首先模仿角膜的纳米线结构和亲/疏水复合组成（疏水上皮细胞表面镶嵌着亲水的粘蛋白）仿生制备了由亲水和疏水单体共聚的硅水凝胶纳米线结构，发现纳米线长度必须在大于一定阈值（2 μm）才能超亲，在较短的纳米线表面液体边缘会发生钉扎，阻止液体完全铺展。说明纳米结构在超过一定阈值后会赋予表面超亲的性能。

　　图2 纳米线表面实现超亲的阈值研究，在疏水单体含量为40%时，纳米线表面超亲的阈值为2 μm

　　为了证明微米结构的作用，作者选用了更亲水的PVA水凝胶来增强微米结构和纳米结构在动态铺展过程中发挥作用的差别进而实现原位验证，通过对比实验、原位铺展实验、理论计算证明微米结构主导了液体动态铺展的速度，微米纳米复合表面在相对粗糙度降低的情况下还能加快液体的超铺展速度，说明微米结构起到了液体动态铺展“高速路”的作用。在了解这一机理后，作者制备得到了超铺展时间只需要450 ms的人工超快铺展表面，实现了对自然表面性质的超越，这一机理也为其他超快铺展表面结构的设计提供了指导原则。

　　图3 微米结构和纳米结构各自在超快铺展表面发挥的作用，包括对比实验(a-d)、原位铺展实验(a-d)、理论计算(h)

　　进一步，作者将这一策略应用于制备高性能眼科材料（例如隐形眼镜），可以提高材料的亲水性，提高舒适度，抵抗蛋白粘附，提高生物相容性，为隐形眼镜的长期佩戴难题提供了一种解决办法。

　　图4 高性能眼科材料表面性质，具有较好的亲水性、透氧率、透过率、抗蛋白粘附性能等

　　总结：作者通过研究生物角膜的特殊结构，仿生制备了类似的结构并详细证明背后的深层机理，即纳米结构赋予表面超亲性能，微米结构主导液体动态铺展速度，最后从角膜出发又回到角膜制备了高性能眼科材料，完成了从仿生到机理研究再到应用的完整探索。

　　https://doi.org/10.1002/adma.202007152

　　来源：高分子科学前沿

　　投稿模板：

　　单篇报道：上海交通大学周涵、范同祥《PNAS》：薄膜一贴，从此降温不用电！

　　系统报道：加拿大最年轻的两院院士陈忠伟团队能源领域成果集锦

发布时间：2021-04-28 11:58:29 来源：头条网