根據世界衛生組織的統計，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構——尤其是高模量的膠原蛋白層，導致聲音轉換質量較差，聽力恢復效果不佳。此外，中耳兩側存在持續壓力差，自供體移植材料與鼓膜之間一致性較差、容易脫落，可能會引發復發性鼓膜穿孔。因此，迫切需要開發具備低空氣阻力、高振動轉化效率、優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構均勻，同時其高動態特性確保了聚合物納米膜的大面積無損轉移。在聚合物納米膜的大面積制備、納微結構控制以及多重功能實現中，液晶5CB的存在至關重要，可以說是一把“萬能鑰匙”。液晶5CB是一種疏水性小分子物質，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；在體溫時，則呈現高活度的各向同性狀態。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，實現聚合物液滴的超快速鋪展（圖1）；2）在降溫過程中，5CB相變產生主動剪切力，促使聚合物納米膜內的分子鏈向優勢結晶相轉變，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傾向于向空氣一側遷移，導致聚合物納米膜產生納米裂縫和穿孔結構，實現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從聚合物納米膜內部滲出并對AgNWs網絡進行焊接，創建應變電阻不敏感的AgNWs導電網絡。5）在體溫下，5CB驅動聚合物納米膜傷口處的分子鏈快速移動，實現傷口的自修復。
視頻1. 液晶驅動的水懸浮超鋪展過程
圖1. 液晶驅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結構控制】
圖2. 聚合物納米膜的大面積制備與膜內亞納米尺度結構的控制
【超彈性壓電納米膜EPN的一體化設計】
圖3. 一體化EPN的結構設計
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】
作者利用疏水性液晶5CB作為功能分子，開發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構的聚合物納米膜。相較傳統的固態基板，液體基板可以實現聚合物納米膜的大面積制備和高效分離與轉移。此方法成功解決了在聚合物納米膜內高效創建大范圍、多尺度有序結構的挑戰。此外，這種一體化設計的EPN具有低背景噪音、低電路雜散噪音和高機電轉換率，能夠推動新一代聲電轉換裝置的設計，有望用于柔性薄膜揚聲器和聲能發電機等領域。
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落戶無錫 2010-01-15
