开启“瞬态可溶微纳光学”新概念

光学是一门古老的科学。随着近代光学和光电子技术的迅速发展，光学工程与技术在生物医学等领域中显示出前所未有的重要作用及广阔的应用前景。在传统光学系统中，每个部件必须长时间地保持其物理形态跟功能的稳定不变，以便维持系统的正常工作。伴随着医学技术的日益进步，研究者急需研制出一种可植入光学器件。这种光学器件不仅能够在特定的医学有效时间内维持植入器件的功能，随后又可以在人体中自然溶解，并在预定的时间被身体吸收而完全消失，从而不再需要进行二次手术。为满足医学上的这一需求，“瞬态可溶微纳光学技术”应运而生。

“瞬态可溶微纳光学技术”是在“瞬

态可溶电子技术”的基础上，基于可控溶解生物材料，结合光学技术和和绿色微纳加工技术，由陶虎课题组于国际上率先提出的。相关成果以“The use of functionalized silk fibroin films as a platform for optical diffraction-based sensing applications”为题发表于近期的Advanced Materials（影响因子18.96）。审稿人对这一新概念给出了极高的评价：“这项工作毫无争议地展示了生物蛋白材料在光学与光电子学上的潜在应用，开辟了‘瞬态可溶微纳光学’这样一个全新的方向，同时也具有极大的商业化价值”。

据了解，“瞬态可溶微纳光学技术”是利用蚕丝蛋白与光学衍射元件的完美结合，实现的蚕丝蛋白光学衍射元件，兼具二者独特的优点。

• 光学衍射元件是由微纳加工技术制造的具有微浮雕结构的传统光学器件，它可以将入射的干涉光在透射或反射模式下转变为所需的衍射图案（图1）。

而衍射图案的性能对元件周围环境及其结构完整性有强烈的依赖性，从而表现出潜在的高灵敏度传感应用，如可用作折射率传感器（图2）或湿度传感器（图3）。

据陶教授介绍，“瞬态可溶微纳光学技术”的研制过程中发现，由于光学衍射元件一般都是工作在透射模式下，蚕丝蛋白光学衍射元件用于生物体药物释放实时监控时，透射模式显然不可能满足这一要求。针对这一问题，陶教授团队开创性地开发出蚕丝蛋白光学衍射元件的反射工作模式，攻克了这一难题。

• 天然提取的蚕丝蛋白近期引起了大批科研工作者的广泛关注，因为利用其制备的蚕丝蛋白薄膜对可见光几乎完全透明，有很高的机械强度和表面光滑度，所有这些优异的性能都使其成为制备光学部件的合适材料。此外，蚕丝蛋白作为一种天然的生物材料，它还具有良好的生物兼容性，并且能长时间保持掺入其中的生物分子的生物活性，这使得蚕丝蛋白光学衍射元件在生物传感应用方面具有极大的优势。更重要的是，蚕丝蛋白光学衍射元件的降解速率可以被精确控制。这些都为开辟瞬态可溶微纳光学这一新兴领域提供了契机（图4）。

目前，陶虎团队将此项研究成果开创性地应用到了信息保密和生物医疗领域中。基于该研究，课题组已实现了简单信息的保密与重现（图5）。

在生物医疗方面，已经完成了动物实验利用“开始药物释放-释放情况反馈-药量达到停止给药”模式成功地治愈了背部感染的活鼠（图6），验证了其技术的可靠性。

此外，研究小组还积极地与外界合作，以便实现研究成果的市场推广与应用。不仅如此，陶教授还将带领团队继续致力于瞬态可溶微纳光学技术相关的其它一系列科学应用研究，推动该技术领域的不断发展，并将引领其发展方向。