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科学家们制作出了强力水下胶

已有 1580 次阅读 2021-6-3 21:52 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

科学家们制作出了强力水下胶

诸平

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Model airplane assembled with silk-based glue. Credit: Marco Lo Presti, Tufts University

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据美国塔夫茨大学(Tufts University202163日提供的消息,该校的研究人员受到无脊椎动物如藤壶类(barnacles)和贻贝类(mussels)的启发,制出了强大的水下胶。

如果你曾经试过从海堤上切下贻贝或从船底上切下藤壶,你就会明白,我们可以从大自然中学到很多关于如何制造强力粘合剂的知识。塔夫茨大学的工程师们注意到了这一点,并于63日在《先进科学》(Advanced Science)杂志网站上报告了一种新型的胶水,灵感来自那些顽固附着的甲壳类动物。详见:Marco Lo PrestiGiorgio RizzoGianluca M. FarinolaFiorenzo G. Omenetto. Bioinspired Biomaterial Composite for All-Water-Based High-Performance Adhesives. Advanced Science, First published: 03 June 2021. DOI: 10.1002/advs.202004786. advs.202004786.pdfhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202004786

从蚕身上收获的纤维丝蛋白开始,他们能够复制藤壶和贻贝胶的关键特征,包括蛋白质细丝、化学交联和铁成键(iron bonding)。其结果是一种强大的无毒胶水,固化和工作在水下和干燥的条件下,比目前市场上大多数合成胶水产品更强。

塔夫茨大学工程学院的工程学教授、也是该材料的制造基地塔夫茨蚕丝实验室(Tufts Silklab)的主任,还是这项研究的通讯作者菲奥伦佐·欧门内托(Fiorenzo Omenetto)说:“我们创造的复合材料不仅在水下比当今大多数粘合剂更好,而且用更少的材料就能达到这种强度。而且因为此材料是由提取的生物来源制成的,而且化学成分是从自然中提取的,在很大程度上避免了合成步骤或使用挥发性溶剂,所以它在制造方面也有优势。”

塔夫茨蚕丝实验室的“胶组成员(glue crew)”专注于复制水生粘合剂中的几个关键要素。贻贝类动物分泌长而粘的丝状物,称为足丝(byssus)。这些分泌物形成聚合物,嵌入表面,并通过化学交联来加强连接。此蛋白质聚合物由长链氨基酸组成,其中一种是二羟基苯丙氨酸(dihydroxyphenylalanine简称DOPA),一种含有儿茶酚的氨基酸,可以与其他链交联。贻贝类还添加了另一种铁配合物的特殊成分来增强足丝的内聚力。

藤壶类动物分泌一种由蛋白质组成的强接合剂(strong cement ),形成固定在表面的聚合物。

藤壶的接合剂聚合物(barnacle cement polymers)中的蛋白质将其氨基酸链折叠成锯齿状的β片,呈现出平坦的表面,并有大量机会与聚合物中的下一个蛋白质或聚合物长丝附着的表面形成强氢键。

受到大自然使用的所有这些分子键合技巧的启发,菲奥伦佐·欧门内托的研究团队着手复制它们,并利用他们对从蚕茧中提取的丝素蛋白(silk fibroin protein)的化学专业知识进行研究。丝素蛋白具有藤壶胶结蛋白(barnacle cement proteins)的许多形状和粘合特性,包括组装大β片表面的能力。研究人员添加了聚多巴胺(polydopamine——一种多巴胺的随机聚合物,它沿其长度呈现交联儿茶酚(catechols),就像贻贝用来交联它们的粘合细丝一样。最后,通过用氯化铁固化粘合剂来显著提高粘合强度,从而确保儿茶酚之间的结合,就像它们在天然贻贝粘合剂中所做的那样。

菲奥伦佐·欧门内托实验室的博士后学者、该研究的第一作者Marco Lo Presti说:丝素蛋白、聚多巴胺和铁的组合将相同的粘合和交联层次结合在一起,使这些藤壶和贻贝粘合剂如此牢固。我们最终得到了一种在显微镜下看起来甚至像天然对应物的粘合剂。

获得丝素蛋白、聚多巴胺和铁离子酸性固化条件的正确混合对于使粘合剂在水下固化和工作至关重要,在抵抗剪切力时达到 2.4 MPa(兆帕;每平方英寸约 350 磅)的强度。这比大多数现有的实验性和商用粘合剂要好,仅略低于 2.8 MPa 的最强水下粘合剂。然而,这种粘合剂具有无毒的额外优势,由全天然材料组成,每平方英寸仅需 1-2 毫克即可实现粘合-只需几滴即可。

巴里·奥尔多·莫罗大学(University of Bari Aldo Moro)教授、塔夫茨大学生物医学工程兼职教授、也是上述研究的合作者 Gianluca Farinola说:可能的安全性、材料的保守使用和卓越的强度相结合,表明其在许多工业和海洋应用中具有潜在的实用性,甚至可能适用于面向消费者的模型构建和家庭使用。”菲奥伦佐·欧门内托补充说:“事实上,我们已经将丝素蛋白用作医疗用途的生物相容性材料,这也促使我们探索这些应用的缘由。

上述介绍仅供参考,欲了解更多信息敬请注意浏览原文advs.202004786.pdf相关报道

Abstract

The exceptional underwater adhesive properties displayed by aquatic organisms, such as mussels (Mytilus spp.) and barnacles (Cirripedia spp.) have long inspired new approaches to adhesives with a superior performance both in wet and dry environments. Herein, a bioinspired adhesive composite that combines both adhesion mechanisms of mussels and barnacles through a blend of silk, polydopamine, and Fe3+ ions in an entirely organic, nontoxic water-based formulation is presented. This approach seeks to recapitulate the two distinct mechanisms that underpin the adhesion properties of the Mytilus and Cirripedia, with the former secreting sticky proteinaceous filaments called byssus while the latter produces a strong proteic cement to ensure anchoring. The composite shows remarkable adhesive properties both in dry and wet conditions, favorably comparing to synthetic commercial glues and other adhesives based on natural polymers, with performance comparable to the best underwater adhesives with the additional advantage of having an entirely biological composition that requires no synthetic procedures or processing.




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