Anti-reflecterende coating geïnspireerd op vliegenogen

De ogen van veel insecten, waaronder de fruitvlieg, zijn bedekt met een dunne, transparante coating die bestaat uit kleine uitsteeksels met antireflecterende en antikleefeigenschappen. Een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuur onthult de geheimen van hoe deze nano-coating is gemaakt.

De auteurs, van de Universiteit van Genève (UNIGE) en de Universiteit van Lausanne (UNIL) —samen met ETH Zürich (ETHZ) — tonen aan dat de coating slechts uit twee ingrediënten bestaat: een eiwit dat retinine wordt genoemd en hoornvlieswas. Deze twee componenten genereren automatisch het reguliere netwerk van uitsteeksels door respectievelijk de rol van activator en remmer te spelen in een morfogeneseproces dat in de jaren vijftig werd gemodelleerd door Alan Turing. Het multidisciplinaire team slaagde er zelfs in om het fenomeen kunstmatig te reproduceren door retinine en was op verschillende soorten oppervlakken te mengen. Dit proces, dat erg goedkoop is en gebaseerd is op biologisch afbreekbare materialen, werd gebruikt om nano-coatings te verkrijgen met een morfologie die vergelijkbaar is met die van insecten, met antikleef- en antireflectiefunctionaliteiten die tal van toepassingen zouden kunnen hebben in uiteenlopende gebieden zoals contact. lenzen, medische implantaten en textiel.

“De nano-coating die het oppervlak van de ogen van sommige insecten bedekt, werd eind jaren zestig ontdekt in motten”, zegt Vladimir Katanaev, een professor bij de afdeling Celfysiologie en Metabolisme aan de Faculteit der Geneeskunde van UNIGE en de hoofdonderzoeker van de studie. “Het bestaat uit een dicht netwerk van kleine uitsteeksels met een diameter van ongeveer 200 nanometer en een hoogte van enkele tientallen nanometers. Het vermindert de lichtreflectie.”

Het hoornvlies van een insect zonder coating reflecteert typisch ongeveer 4% van het invallende licht, terwijl het aandeel tot nul daalt bij insecten die wel de bedekking hebben. Hoewel een verbetering van 4% misschien klein lijkt, is het voldoende voordeel – vooral in donkere omstandigheden – om tijdens de evolutie geselecteerd te zijn. Dankzij zijn antikleefeigenschappen biedt de coating ook fysieke bescherming tegen de kleinste stofdeeltjes in de lucht.

Professor Katanaev stapte tien jaar geleden in dit onderzoeksveld. In 2011 ontdekten hij en zijn team als eerste de nanocoating op de ogen van fruitvliegjes (Drosophila melanogaster). Dit insect is veel geschikter voor wetenschappelijk onderzoek dan motten, vooral omdat het genoom volledig is gesequenced.

Alan Turing: leidend licht

Op basis van hun voorlopige resultaten suggereerden professor Katanaev en zijn collega’s in 2015 dat de nanocoating het resultaat was van een morfogenese-mechanisme dat de Britse wiskundige Alan Turing in de jaren vijftig had gemodelleerd. Dit model stelt dat twee moleculen automatisch worden georganiseerd om patronen in regelmatige patches of stroken te produceren. De eerste dient als een activator en start een proces waarin een speciaal patroon naar voren komt en zichzelf versterkt. Maar het stimuleert tegelijkertijd ook het tweede molecuul, dat als een remmer werkt en sneller verspreidt. Dit model heeft het mogelijk gemaakt om natuurverschijnselen op macroscopische schaal te verklaren – zoals de vlekken op een luipaard of de strepen op een zebra – en op microscopische schaal maar nog nooit op nanoscopische schaal.

De in Genève gevestigde onderzoeker heeft nu meer bewijs verzameld om deze hypothese te ondersteunen. Dankzij biochemische analyses en het gebruik van genetische manipulatie zijn professor Katanaev en zijn collega’s erin geslaagd de twee componenten te identificeren die betrokken zijn bij het reactie-diffusiemodel ontwikkeld door Turing. Dit hangt af van een eiwit dat retinine en was wordt genoemd en dat wordt geproduceerd door verschillende gespecialiseerde enzymen, waarvan er twee zijn geïdentificeerd. Retinin speelt de rol van activator: met zijn aanvankelijk ongestructureerde vorm neemt het een bolvormige structuur aan bij contact met de was en begint het patroon te genereren. De was daarentegen speelt de rol van remmer. Het powerplay tussen de twee leidt tot het ontstaan ​​van de nano-coating.

Kunstmatige nano-coating

“We zijn er vervolgens in geslaagd om tegen zeer lage kosten retinine te produceren met bacteriën die voor dit doel genetisch gemodificeerd zijn”, zegt professor Katanaev. “Na het te hebben gezuiverd, hebben we het gemengd met verschillende commerciële wassen op glazen en plastic oppervlakken. We waren toen in staat om de nanocoating heel gemakkelijk te reproduceren. Het lijkt qua uiterlijk op de coating die wordt aangetroffen in insecten en heeft een antireflectie- en antikleeflaag. eigenschappen. We denken dat we dit type nano-coating op vrijwel elk soort oppervlak kunnen aanbrengen, inclusief hout, papier, metaal en plastic. “

Uit eerste tests is gebleken dat de coating bestand is tegen 20 uur wassen in water (hij raakt gemakkelijk beschadigd door wasmiddel of krassen, hoewel technologische verbeteringen hem robuuster kunnen maken). De antireflecterende eigenschappen hebben al een zekere belangstelling gewekt bij fabrikanten van contactlenzen, terwijl de antikleefeigenschappen de producenten van medische implantaten kunnen aanspreken. Dit type coating zou het inderdaad mogelijk kunnen maken om te controleren waar menselijke cellen vasthaken. De industrie beschikt al over de technieken die nodig zijn om dit resultaat te bereiken. Maar ze gebruiken harde methoden, zoals lasers of zuren. De oplossing van het team van Genève heeft het voordeel dat ze goedkoop, goedaardig en volledig biologisch afbreekbaar is.