光学材料领域突破：SiO₂光子晶体微球作为隐形眼镜无机结构色颜料的研究报告

作者及发表信息
本研究的通讯作者为东南大学化学化工学院的Shou-Nian Ding教授，合作单位包括江苏生物医学高技术重点实验室及海昌隐形眼镜有限公司。研究成果发表于Elsevier旗下期刊《Optical Materials》2023年第138卷，论文标题为《Novel SiO₂ photonic crystal microspheres as inorganic pigments for structural color contact lenses》，于2023年3月20日在线发布。

学术背景与研究目标

科学领域与背景
传统彩色隐形眼镜多采用有机颜料着色，长期佩戴存在色素渗漏风险，可能导致角膜炎、角膜溃疡等眼部疾病。为解决这一问题，研究者转向结构色（structural color）技术——一种通过微观结构（如光子晶体）对光的干涉、衍射产生颜色的物理显色机制，无需化学色素。结构色具有环境友好、色彩纯净、虹彩效应等优势，已在传感器、光学器件等领域应用，但其在隐形眼镜中的产业化仍面临角度依赖性（angle dependence）和图案设计等挑战。

研究目标
本研究旨在开发一种基于SiO₂光子晶体微球的无机结构色颜料，通过SPG膜乳化法（Shirasu porous glass membrane emulsification）和高温煅烧工艺制备具有角度无关性的微球，并将其应用于隐形眼镜图案印刷，最终获得兼具生物相容性、光学性能及商业化潜力的新型隐形眼镜。

研究流程与方法

1. SiO₂纳米颗粒的合成

• 方法：采用改进的Stöber法合成单分散SiO₂胶体纳米颗粒（直径约210 nm）。
  
• 步骤：将氨水、乙醇与去离子水混合为溶液A，正硅酸乙酯（TEOS）与乙醇混合为溶液B，快速混合后反应8小时，经离心清洗和真空干燥获得均匀颗粒。
  

2. SiO₂光子晶体微球的制备

• 关键工艺：
  
  • SPG膜乳化：将SiO₂纳米颗粒分散于HEMA单体中，加入交联剂EGDMA和引发剂AIBN，通过3 μm孔径SPG膜在硅油中乳化形成微滴，加热聚合形成SiO₂-HEMA复合微球。
    
  • 高温煅烧：600℃煅烧去除HEMA外层，获得纯SiO₂光子晶体微球，其球形对称结构克服了角度依赖性。
    
• 创新点：煅烧后微球表面SiO₂排列更致密，结构色更显著（反射光谱蓝移，反射强度提升）。
  

3. 结构色墨水及隐形眼镜制备

• 墨水配方：将微球与混合单体（MIX、MON）、六亚甲基二异氰酸酯等搅拌60小时，制成可印刷墨水。
  
• 转印工艺：墨水填充蚀刻模板图案，通过橡胶头转印至镜片模具，热固化后脱模，获得含瞳孔区域和图案的隐形眼镜。
  

4. 性能测试

• 光学性能：可见光透过率＞98%（远超国家标准89%）。
  
• 生物相容性：体外细胞毒性试验（MTT法）显示细胞存活率＞70%，优于传统有机颜料镜片。
  
• 物理特性：氧气渗透性（DK值）更高，亲水性（接触角更小）更优，佩戴舒适性提升。
  

主要研究结果

1. 微球结构优化：煅烧后微球的SEM显示表面SiO₂排列紧密，反射光谱证实颜色一致性不受视角影响（图2-4）。
   
2. 镜片性能：
   
   • 光学：图案区域显色稳定，瞳孔区透明不影响视力（图5）。
     
   • 安全：无细胞毒性，氧气透过率提高，降低角膜缺氧风险（表S2）。
     
3. 工艺优势：SPG乳化结合煅烧法实现了微球的大规模制备，转印技术兼容复杂图案设计。
   

结论与价值

科学价值
- 提出了一种新型无机结构色颜料的制备策略，解决了传统有机色素的安全隐患。
- 通过球形对称结构设计，克服了光子晶体的角度依赖性，为结构色在生物医学中的应用提供了新思路。

应用价值
- 开发的隐形眼镜符合商业化标准（含瞳孔区与图案），生产工艺可扩展，具备市场转化潜力。
- 为其他医疗器械（如眼科植入物）的结构色功能化提供了技术参考。

研究亮点

1. 创新材料：首次将SiO₂光子晶体微球作为隐形眼镜的无机颜料，兼具安全性与显色性。
   
2. 工艺突破：SPG膜乳化结合煅烧法实现微球的高效制备，转印技术简化了镜片图案化流程。
   
3. 性能优势：镜片的氧气渗透性、透光率和生物相容性均优于传统产品。
   

补充价值
- 研究得到国家重点研发计划（2017YFA0700404）和国家自然科学基金（22174015）支持，数据可通过通讯作者申请获取。
- 附录提供了FTIR、SEM等表征数据的补充材料（DOI: 10.1016/j.optmat.2023.113705）。

（全文约2000字）