客户成果 | 湖南大学《Polymer Chemistry》快速固化高性能水凝胶及无染料结构色美瞳研究
发布时间：
2026-05-09
近日，湖南大学化学化工学院、化学生物传感全国重点实验室吴朝阳教授团队，在快速固化高性能水凝胶及结构色隐形眼镜（美瞳）应用领域取得重要进展。该研究以题为“Modulatable structural colors in rapid-curing high-performance hydrogels”的论文发表于高分子领域知名期刊《Polymer Chemistry》。研究团队使用致真精密仪器自主研发的Atom Explorer轻量款原子力显微镜，证实了胶体纳米颗粒在水凝胶基质中形成了高度有序的非紧密堆积结构，为阐明其结构显色机制及优异的光学稳定性提供了关键的微观可视化证据。
近日，湖南大学化学化工学院、化学生物传感全国重点实验室吴朝阳教授团队，在快速固化高性能水凝胶及结构色隐形眼镜（美瞳）应用领域取得重要进展。该研究以题为“Modulatable structural colors in rapid-curing high-performance hydrogels”的论文发表于高分子领域知名期刊《Polymer Chemistry》。研究团队使用致真精密仪器自主研发的Atom Explorer轻量款原子力显微镜，证实了胶体纳米颗粒在水凝胶基质中形成了高度有序的非紧密堆积结构，为阐明其结构显色机制及优异的光学稳定性提供了关键的微观可视化证据。
▲《Polymer Chemistry》期刊论文截图。
▲致真精密仪器轻量款原子力显微镜（Atom Explorer）观测到的结构色隐形眼镜表面不同扫描范围的三维微观拓扑形貌图，直观展现了二氧化硅纳米颗粒在水凝胶基质中的非紧密堆积组装状态。
结构色（Structural colors）源于光与周期性微纳米结构的相互作用，相较于传统的化学染料，具有超强光稳定性、低生物毒性等优势。将其集成到功能性器件（如隐形眼镜）中是近年来的研究热点。然而，传统的基质材料往往难以兼顾出色的力学性能与光学功能，且加工固化时间过长。如何开发一种既能快速固化、又具备高机械强度，还能完美承载光子晶体纳米结构的软基质材料，成为了该领域的一大挑战。
研究团队以开发无染料、高安全性的“结构色美瞳”为切入点，创新性地开发了一种三元共聚物水凝胶系统。该系统由甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA，提供结构完整性）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP，增强亲水性与聚合效率）和 N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA，提供柔韧性）按优化配比组成。在此基础上，将带负电的单分散二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒嵌入光交联前驱体中，通过静电排斥作用实现自组装，最后在紫外光（365 nm）下进行极速固化成型。
微观结构、化学与力学性能分析表明，所制备三元共聚水凝胶基质具有优异力学可靠性，拉伸强度高达6.14 MPa，可为光子晶体阵列提供稳固坚韧的物理承载基底。基于该基质开发的功能化隐形眼镜，兼具超高可见光透过率与良好生物相容性，且可维持200 天以上稳定尺寸与完整结构。通过精准调控体系中SiO₂纳米颗粒粒径，实现了隐形眼镜可见光蓝、绿、红三基色波段的 “无染料” 调色，得到色彩鲜亮、高饱和度的纯结构色成像效果。
在本研究中，致真精密仪器Atom Explorer轻量款原子力显微镜为解析结构色美瞳的微观显色机制提供了关键可视化证据。通过高精度形貌扫描，Atom Explorer在不同尺度下对隐形眼镜表面的三维拓扑结构进行了精准表征。随扫描范围的变化，样品表面清晰地呈现出单分散纳米颗粒构成的周期性阵列。Atom Explorer不仅精准区分了纳米颗粒相与水凝胶基质相，更直观地印证了SiO₂纳米微球通过自组装形成了高质量的“非紧密堆积”三维光子晶体结构。这一纳米尺度的形貌表征，为理解该水凝胶体系卓越的抗光漂白性、显色机制以及微观结构与宏观光学性能之间的关联提供了直接支撑。
综上，该研究通过优化单体配比与结合胶体自组装策略，成功构建了一种兼顾力学鲁棒性、快速加工性和本征可调光子特性的通用材料平台。该研究不仅为无需外源染料的美容隐形眼镜提供了更加安全、耐用的新一代解决方案，也为动态光学器件的研发开辟了新途径。
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