童话演唱团仿生壁虎和贻贝黏附材料-智能黏附材料

仿生壁虎和贻贝黏附材料-智能黏附材料
自然界中的黏附按照其机理可分为以下两类:一是基于多尺度微纳结构的可逆黏附西藏秘密 ，如壁虎脚趾在光滑表面的自由爬行;二是基于生物分泌黏性高分子的永久黏附，如贻贝在水中不同基底上的黏附库拉肯。向自然学习是智能新材料发展的主题隐讳的意思， 本文着重介绍了壁虎、贻贝的黏附机理及其相应的仿生黏附材料进行了简要介绍。
1. 多尺度微纳结构的可逆黏附
1.1 壁虎脚趾的强黏附
壁虎能牢牢吸附于各种基底表面盛泽招聘， 甚至倒悬在光滑的表面上也可以迅速地爬行， 而且在爬行过程中它们能始终保持脚底的干净。这种高效、可逆、自清洁的黏附作用主要来自它们脚趾末端特殊的多尺度微纳结构与基底表面间的范德华力。壁虎的种类不同顶级跑马牧场， 脚趾的多尺度微纳结构也不相同，蛤蚧体长约 300 mm， 重 150 g天狮经络操， 是壁虎中体型较大的一种，在壁虎脚趾的多尺度微纳结构研究中最为突出。图 1 为蛤蚧脚趾末端宏观、介观、微观和纳观不同层次的结构。蛤蚧的每个脚趾约有 20个介观薄片结构; 每个薄片上均匀分布着定向排列的微米级刚毛阵列，刚毛长约 30—130 μm、直径约 5μm; 刚毛末端分支形成 400—1 000根纳米级压舌板形绒毛，绒毛长约 200 nm， 直径约 200—500 nm， 绒毛底 端 为 直 径 约 100 nm、长 约 800 nm 的 圆 柱体。多尺度微纳结构使得壁虎脚趾与物体表面形成分子层次的充分接触， 虽然单根刚毛产生的力微不足道，但 50 万根刚毛累积起来老哥救命啊， 将范德华力的作用最大化，形成强的黏附力孟子两章，壁虎仅用一只脚趾就足以支撑整个身体的重量芦墟吧。根据范德华力机理可知， 黏附力仅与刚毛的大小和形状有关， 与表面化学性质无关。用不同的材料制备的刚毛物理模型也证实了黏附力与尖端大小的关系。

图 1 蛤蚧脚趾多尺度微纳结构: ( a) 宏观结构: 攀爬垂直玻璃的蛤蚧腹面孟庭丽病逝，( b) 介观结构: 衬垫腹面的重叠薄片结构，( c) 微观结构: 单个薄片结构上的刚毛阵列，( d—e) 纳米结构: 有数百绒毛分支的单根刚毛
1.2 仿多尺度微纳结构的黏附表面
受壁虎、甲虫等动物脚趾黏附机理的启发，仿生制备具有微纳米多尺度结构的黏附表面已成为目前仿生材料研究领域的一个热点。目前开发的技术主要有微纳模注塑法、热压成型法、软模板法、刻蚀法、自组织结构孔模板浇注法、化学气相沉积等， 这些技术可在平滑基板上制得深宽比高、密度大的微纳米聚合物以及碳纳米管。
2. 黏性高分子的永久黏附
贻贝、藤壶等海洋生物可分泌胶粘剂在礁石、船底甚至动物甲壳等各种表面形成永久黏附，且黏附具有极强的耐水性和耐候性，在巨浪冲刷下仍能紧紧附着于基底。这种湿润条件下的高效生物胶粘剂多为多蛋白混合物，在水环境中合成，且无毒、对环境友好。
2.1 贻贝的水中黏附
贻贝足腺分泌丝足，丝足末端的黏附盘黏附在基材表面。丝足的主要组成是各类蛋白质。到目前为止，从紫贻贝( Mytilus edulis) 中提取的黏附蛋白是现在唯一商业化应用的黏附蛋白。在紫贻贝末端黏附盘中，至少 5 种丝足蛋白亚型中有不同含量的 L-3时尚洋品店， 4-二羟基苯丙氨酸 ( 3， 4-dihydroxyphenyalanine，DOPA) ， 其中分布于丝足黏附盘与基底界面处的 Mefp( Mytilus edulis foot protein) -5 和 Mefp-3 中 DOPA 含量最高( 分别为 27mol% 和 21 mol% )，苏拉文雅见图 2。

图 2 贻贝黏附蛋白的生物分布: ( a) 黏附在玻璃表面的贻贝及黏附丝足张雱 ，( b) 丝足与基底界面间的蛋白质
DOPA 是酪氨酸过转录修饰后的一种氨基酸，是贻贝黏附体系的主要特征。DOPA 中的儿茶酚基团化学活性高， 在 pH 值升高或添加高碘酸盐的条件下易氧化为醌， 醌结构的引入使 DOPA 在黏附过程中的作用机理更为复杂。Lee 等 将单个DOPA 分子修饰在原子力显微镜针尖上，研究 DOPA与不同表面之间的黏附机理， 研究表明儿茶酚基团与湿润金属表面间形成可逆的非共价键作用童话演唱团， pH 值升高，这种非共价键作用减弱; 在有机表面则形成不可逆的共价键。在碱性海洋环境中， 儿茶酚与醌结构间的平衡使贻贝可在任何表面发生黏附。在贻贝黏附蛋白中，除了 DOPA 组分，赖氨酸也占有很大的比例。金属离子的活性是贻贝胶粘剂交联过程的关键，Hight 等发现胶粘剂固化过程中金属离子和氧化物产生协同效应。
3. 仿生黏附高分子
受壁虎脚趾多尺度微纳结构和贻贝黏附蛋白的启发， Lee 等将 PDMS 纳米柱阵列在含儿茶酚基团的聚合物溶液中浸渍提拉， 获得一种可重复使用的纳米黏附剂( 图 3) 。该黏附材料在干态和湿态的黏附性能均优于壁虎， 尤其在水中，约是壁虎的 15 倍。Glass 等在 Lee 等研究的基础上调整了纳米柱阵列尺寸大小和聚合物涂覆厚度，复合表面的湿态黏附增强李美贤，且在不存在吸力效应的条件下，宏观尺度的可逆黏附增强。

图 3 干 /湿可逆纳米黏附剂的制备
仿生构筑多功能集成材料将是仿生材料领域的发展趋势。糅合两种或两种以上生物材料的结构或特性，是仿生构筑多功能集成材料有效的途径。例如， Lee 等将壁虎脚趾的特殊微观结构与贻贝的黏附蛋白相结合， 仿生构筑了在潮湿和干燥环境下都具有优异黏附特性的新型粘结剂。随着材料学、化学、医学、分子生物学以及纳米技术的发展，将微纳米多尺度结构与高效黏附蛋白相结合， 仿生构筑新型黏附剂将是未来仿生黏附材料领域的研究趋势，干 /湿条件下的可逆黏附材料将在航空、航天、机械、医疗等领域具有广阔的应用前景。
参考文献：刘娟, 杨青林, 徐晶晶都本基, 刘克松, 郭林墨瞳漫画 , & 江雷. (2012). 仿壁虎和贻贝黏附材料. 化学进展, 24(10), 1946-1954.