根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計，全球約有15億人患有不同程度的聽力損失，其中超過9000萬例是由急性和慢性中耳炎引起的鼓膜穿孔。對于嚴重的鼓膜穿孔患者來說，鼓膜置換是唯一可行的治療方案。然而，自供體移植材料缺乏復雜分層結(jié)構(gòu)——尤其是高模量的膠原蛋白層，導致聲音轉(zhuǎn)換質(zhì)量較差，聽力恢復效果不佳。此外，中耳兩側(cè)存在持續(xù)壓力差，自供體移植材料與鼓膜之間一致性較差、容易脫落，可能會引發(fā)復發(fā)性鼓膜穿孔。因此，迫切需要開發(fā)具備低空氣阻力、高振動轉(zhuǎn)化效率、優(yōu)異組織粘附性以及良好生物相容性等特點的人工鼓膜。
近期，東華大學武培怡/劉艷軍團隊報道了一種簡單、通用的水懸浮超鋪展方法，用于快速、高效的制備聚合物納米膜。只需400 ms，就能鋪展一張直徑為128 mm、厚度為150 nm的聚合物納米膜（視頻1）。原子級平整的液體基板保證了聚合物納米膜的結(jié)構(gòu)均勻，同時其高動態(tài)特性確保了聚合物納米膜的大面積無損轉(zhuǎn)移。在聚合物納米膜的大面積制備、納微結(jié)構(gòu)控制以及多重功能實現(xiàn)中，液晶5CB的存在至關(guān)重要，可以說是一把“萬能鑰匙”。液晶5CB是一種疏水性小分子物質(zhì)，其相變溫度約為35 oC。在低于35 oC時，它處于低活度的向列相狀態(tài)；在體溫時，則呈現(xiàn)高活度的各向同性狀態(tài)。1）在聚合物液滴鋪展時，5CB在有機溶劑與水的界面處自組織形成自潤滑層，降低鋪展阻力，實現(xiàn)聚合物液滴的超快速鋪展（圖1）；2）在降溫過程中，5CB相變產(chǎn)生主動剪切力，促使聚合物納米膜內(nèi)的分子鏈向優(yōu)勢結(jié)晶相轉(zhuǎn)變，提升聚合物納米膜的強度、彈性和鐵電性；3）在成膜過程中，5CB傾向于向空氣一側(cè)遷移，導致聚合物納米膜產(chǎn)生納米裂縫和穿孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)可控水透過性和自適應氣體透過性；4）在乙醇溶劑引導下，5CB從聚合物納米膜內(nèi)部滲出并對AgNWs網(wǎng)絡進行焊接，創(chuàng)建應變電阻不敏感的AgNWs導電網(wǎng)絡。5）在體溫下，5CB驅(qū)動聚合物納米膜傷口處的分子鏈快速移動，實現(xiàn)傷口的自修復。
視頻1. 液晶驅(qū)動的水懸浮超鋪展過程
圖1. 液晶驅(qū)動的水懸浮超鋪展策略示意圖
【聚合物納米膜的制備與膜內(nèi)結(jié)構(gòu)控制】
圖2. 聚合物納米膜的大面積制備與膜內(nèi)亞納米尺度結(jié)構(gòu)的控制
【超彈性壓電納米膜EPN的一體化設(shè)計】
圖3. 一體化EPN的結(jié)構(gòu)設(shè)計
視頻2. 納米膜的超強韌力學性能
【超彈性壓電納米膜EPN的基礎(chǔ)功能特性】
圖4. 一體化EPN的透氣性、自愈性、組織粘附性和生物相容性
視頻3. 一體化EPN的可控透水性
視頻4. 一體化EPN的自適應透氣性
【EPN仿生鼓膜的雙重降噪特性】
圖5. 一體化EPN雙重降噪功能
【EPN仿生鼓膜的選擇性人聲識別特性】
圖6. 一體化EPN選擇性識別人聲功能
視頻5. 一體化EPN聲音方向識別的可視化
【總結(jié)】
作者利用疏水性液晶5CB作為功能分子，開發(fā)了一種簡單且通用的水懸浮超鋪展方法，該方法可以在液體基板上制備具有復雜多尺度結(jié)構(gòu)的聚合物納米膜。相較傳統(tǒng)的固態(tài)基板，液體基板可以實現(xiàn)聚合物納米膜的大面積制備和高效分離與轉(zhuǎn)移。此方法成功解決了在聚合物納米膜內(nèi)高效創(chuàng)建大范圍、多尺度有序結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)。此外，這種一體化設(shè)計的EPN具有低背景噪音、低電路雜散噪音和高機電轉(zhuǎn)換率，能夠推動新一代聲電轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計，有望用于柔性薄膜揚聲器和聲能發(fā)電機等領(lǐng)域。
以上研究成果近期以“An elastic piezoelectric nanomembrane with double noise reduction for high-quality bandpass acoustics”為題，發(fā)表在《Nature Communications》上。東華大學化學與化工學院碩士研究生張佳琳為文章第一作者，劉艷軍博士和武培怡教授為論文共同通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52787-4
- 中科院熒光聚合物納米膜痕量炸藥探測技術(shù)落戶無錫 2010-01-15
