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如何擺脫一只貽貝的糾纏?騙它!

來源: X-MOL 2017-08-29 14:30:23

貽貝對于所有固體都有謎之依戀,遇上了就死纏爛打、粘上不放。這種不怕水、強度高、適用范圍廣的神奇粘附能力引起了研究者的注意,這幾年科研界也跟貽貝尬上了。2007年Science上一篇仿貽貝粘附蛋白的論文火遍了大江南北(Science, 2007, 318, 426-430),而“Mussel-inspired”一詞頻頻出現在各類材料化學期刊上,讓人不由覺得——除了好吃,原來貽貝還有這么多功用。科學家還發現貽貝所分泌的粘附蛋白包括不同類型的氨基酸,其中多巴(dopa,3,4-二羥基苯丙氨酸)對其水下粘附能力起到關鍵的作用(Science, 2015, 349, 628-632,點擊閱讀相關)。但不是所有人都喜歡貽貝的超強粘附能力,尤其在航海相關行業,貽貝附著在船身所帶來的生物污染是一個令人頭痛的問題,清理起來十分麻煩而且花費頗巨。


為解決上述問題,新加坡南洋理工大學Ali Miserez、美國哈佛大學Joanna Aizenberg以及德國埃爾朗根-紐倫堡大學Nicolas Vogel等研究人員研究了貽貝對于潤滑劑灌注材料(lubricant-infused materials)表面的粘附行為,從而提出了一種有效的抗貽貝粘附策略。


潤滑劑灌注表面作為新型抗污涂層近幾年受到研究者的廣泛關注,這類表面通常有兩種:一種是經過一定化學修飾且具有粗糙結構的表面,可通過范徳華力和毛細作用將灌注的液體潤滑劑擴散并鎖留在表面;另一種則是聚合物網絡結構如凝膠,其可通過吸收液體潤滑劑來達到上述效果。盡管都是潤滑劑灌注表面,兩者的彈性模量差別較大。因此,在本研究中,作者通過二氧化硅納米粒子自組裝構建了粗糙表面并吸入硅油,得到第一種潤滑劑灌注表面(i-LBL);通過聚二甲基硅氧烷(PDMS)網絡吸收硅油得到了第二種表面(i-PDMS)。然后作者將這兩種表面與兩種成熟的商用抗污染涂層Intersleek700(IS700)和Intersleek900(IS900)進行了比較。研究者設計了一塊由不同材料隨機拼成的表面,讓翡翠貽貝(Perna viridis)可以自由移動和選擇。實驗結果表明i-PDMS表面上的粘附斑(adhesive plaque)最少,表現出最好的抗粘附效果。


在貽貝宏觀粘附強度的測試中,i-PDMS表面上的貽貝粘附強度也最低,依次為:i-PDMS(3.4 ± 2.0 kPa) < IS900(8.1 ± 3.2 kPa)< IS700(20.2 ± 7.4 kPa)< i-LBL(20.8 ± 3.6 kPa)。作者還用MALDI-TOF質譜檢測了貽貝粘附斑脫落之后殘留在表面上的粘附蛋白(Pvfps)含量,i-PDMS表面上均無粘附蛋白殘留,這也說明i-PDMS表面具有很好的抗粘附效果。


作者還在馬薩諸塞州Scituate Harbor的海水中對i-PDMS、PDMS和IS900表面進行了長時間粘附野外實驗。在16個星期的真實海洋環境中,i-PDMS表面體現出了十分卓越的抗粘附性能,僅有數個貽貝粘附,而IS900表面以及PDMS表面上粘附的貽貝數目則是i-PDMS表面的4倍及30倍左右。


作者通過對粘附過程的進一步研究,揭示了潤滑劑灌注表面抗粘附的機理。一方面,貽貝在粘附的過程中伸出絲足接觸到材料表面分泌粘附蛋白進行粘附,而貽貝的粘性分泌物接觸到潤滑劑灌注表面時,遇到的是一個納米尺度的固/液表面,無法完全替代其中穩定的潤滑劑層,粘附斑就無法正常形成。這樣就降低了粘附強度。另外一方面,貽貝的腹足存在瞬時受體電位(transient receptor potential,TRP)通道,這些蛋白對于貽貝的機械傳感十分關鍵。貽貝腹足接觸到潤滑劑灌注表面時,所受到的壓力并不能像接觸到固體表面那樣激活這些通道蛋白,也就不會激活貽貝隨后的粘附行為。這樣就減少了粘附的發生。


也就是說,在貽貝接觸到潤滑劑灌注表面之時,它的感覺是“軟軟的”,不太像它最中意的固體表面,于是絕大部分貽貝會拋棄這里另尋棲身之地;極少數貽貝因為各種原因就想粘附在這“軟軟的”表面上,但滑溜溜的潤滑劑層讓它們分泌的粘合劑基本失效,根本粘不牢。


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