作者:王树涛等 来源:《化学》 发布时间:2023/3/17 9:14:27
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湿态界面粘附的仿生化学设计原则

 

北京时间2023年3月16日,中国科学院理化技术研究所的王树涛研究团队在Chem期刊上发表了一篇题为“Bioinspired chemical design to control interfacial wet adhesion”的展望。

该展望报道了从自然界湿态粘附现象到人造粘附分子的仿生设计原则。随着表征技术的不断革新,人们对自然界湿态粘附机制的理解也逐渐加深,对湿态粘附材料的化学设计也逐渐由兴趣牵引转为以应用为导向的发展之路。作者从自然粘附机制探索、仿生化学分子设计到动态粘附调控等方面探讨了新一代湿态粘附材料在发展中面临的巨大挑战和潜在机遇。

论文通讯作者是王树涛研究员;第一作者是王曌特别研究助理。

湿态粘附在自然界和日常生活中普遍存在。海洋生物在长期进化过程中为了抵抗浪潮的冲击,需要牢固附着到岩石表面,进行捕食和繁衍后代。向自然学习是科技发展创新的不竭源泉,研究者们发现海洋生物一般是通过合成、分泌和固化粘附蛋白,从而使得粘附界面具有优异的机械强度和耐久性。随着研究的不断深入,一些起到关键粘附作用的化学基团已经从粘附蛋白中提取出来,例如最受关注的二羟基苯丙氨酸 (DOPA),启发了研究者们将DOPA整合到各种分子骨架中,极大丰富了人工湿态粘附聚合物的种类,成功用于伤口敷料、生物电子和功能涂层等领域,克服了传统粘附剂在潮湿或水下应用的局限性。在这一过程中,人们逐渐形成了一致的湿态界面粘附的仿生化学设计原则:发现自然界湿态粘附机制,发明仿生化学设计粘附分子,创造满足实际要求的多功能湿态粘附材料。

图1:湿态粘附剂的仿生化学设计原则。

子曰:“工欲善其事,必先利其器”《论语》。要想深入了解自然界湿态粘附机制,需要从分子尺度到微纳米尺度再到宏观尺度,以及从静态粘附到动态粘附过程来观察自然界湿态粘附蛋白复杂的粘附机制。整个研究的认知过程都离不开表征技术的发展水平。图2从成分分析、结构表征、过程观察到粘附力测量四个方面介绍了人们对自然界湿态粘附的认知发展历程。

图2:贻贝粘附的蛋白组分、足丝结构、动态过程以及粘附力的先进表征技术。

在了解贻贝粘附机制的基础上,人们提取出关键化学粘附单元,极大地推动了仿生湿态粘附材料的发展。DOPA作为粘附蛋白的关键单元,可以在基底表面形成强的共价和非共价相互作用,实现牢固的界面粘附。受DOPA的启发,研究者们合成了许多基于邻苯二酚衍生物的仿生湿态粘附剂。为了实现动态粘附,人们利用典型的氢键、π-堆叠、静电相互作用、金属-配体络合作用、金属-金属相互作用和主客体相互作用,制备了刺激响应型超分子胶粘剂,可以有效地控制界面粘附强度。为了实现超越自然的湿态粘附强度,研究人员致力于通过形成强共价键来增强界面粘附强度。这些不同的分子设计极大地丰富了合成粘附剂的化学种类,开发出满足实际应用的强粘附材料将是人们不断努力的研究方向。

图3:不同分子设计粘附剂的化学结构。

在过去的几十年里,仿生湿态粘附研究经历了从发现自然界粘附现象,到发明仿生粘附分子,再到创造不依赖DOPA的多功能胶粘剂的三个主要发展阶段。从海洋生物特有的粘附蛋白组成、结构和动态粘附等方面,研究者们逐渐揭示了海洋生物迷人的湿态粘附机制。对这些粘附机制的深入理解启发了各种湿态粘附剂的分子设计与合成。目前,仍有几个巨大的挑战需要解决。一是海洋生物潜在的粘附机制尚不清楚。其次,大多数人工合成粘附剂仍无法与自然界湿态粘附剂相媲美。三是调控湿态粘附动态过程的研究较少。从界面相互作用和化学热力学的角度出发,粘附分子的化学设计一直是化学家的研究核心。然而,粘附剂与附着基底之间的动态粘附过程往往被人们所忽视。开发新的表征技术,揭示自然界粘附机制,设计高性能粘附材料以解决极端或复杂环境下的实际应用挑战,将是未来湿态粘附研究的科学与技术前沿。

图4:湿态粘附存在的挑战和机遇。

(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.02.012

 
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