塔夫茨大學(xué)工程學(xué)院Frank C. Doble工程教授、創(chuàng)建該材料的塔夫茨Silklab主任以及該研究的通訊作者Fiorenzo Omenetto說(shuō)：“我們創(chuàng)建的復(fù)合材料不僅在水下比現(xiàn)在的大多數(shù)粘合劑效果更好，而且它用更少的材料實(shí)現(xiàn)了這種強(qiáng)度。而且，由于這種材料是由提取的生物資源制成的，且化學(xué)成分是良性的--取自自然界，基本上避免了合成步驟或使用揮發(fā)性溶劑--它在制造方面也可能有優(yōu)勢(shì)。”
Silklab的 "膠水小組 "專注于在水生粘合劑中復(fù)制的幾個(gè)關(guān)鍵元素。貽貝會(huì)分泌長(zhǎng)的粘性細(xì)絲，稱為byssus。這些分泌物形成聚合物，嵌入到表面，并通過(guò)化學(xué)交聯(lián)來(lái)加強(qiáng)粘合。這些蛋白質(zhì)聚合物由長(zhǎng)鏈的氨基酸組成，其中包括一種二羥基苯丙氨酸（DOPA），一種含有兒茶酚的氨基酸，可以與其他鏈交聯(lián)。貽貝添加了另一種特殊成分--鐵復(fù)合物--以加強(qiáng)副櫛的內(nèi)聚力。
藤壺分泌出一種由蛋白質(zhì)組成的強(qiáng)大的膠結(jié)物，形成聚合物，固定在表面上。藤壺水泥聚合物中的蛋白質(zhì)將其氨基酸鏈折疊成β片--一種人字形排列，提供了平坦的表面和大量的機(jī)會(huì)，與聚合物中的下一個(gè)蛋白質(zhì)或聚合物絲所附著的表面形成強(qiáng)大的氫鍵。
受到自然界使用的所有這些分子結(jié)合技巧的啟發(fā)，Omenetto的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始著手復(fù)制它們，并利用他們?cè)趶男Q繭中提取的絲纖維蛋白的化學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)。蠶絲纖維素與藤壺膠結(jié)蛋白的許多形狀和粘合特性相同，包括組裝大型β片狀表面的能力。研究人員添加了聚多巴胺--一種多巴胺的隨機(jī)聚合物，它沿長(zhǎng)度方向呈現(xiàn)交聯(lián)兒茶酚，很像河蚌用來(lái)交聯(lián)它們的粘合絲。最后，通過(guò)用氯化鐵固化粘合劑，粘附強(qiáng)度得到了明顯的提高，這確保了整個(gè)兒茶酚的粘合，就像它們?cè)谔烊毁O貝粘合劑中的作用一樣。
Omenetto實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者、該研究的第一作者M(jìn)arco Lo Presti說(shuō)：“絲狀纖維素、聚多巴胺和鐵的組合帶來(lái)了相同層次的粘合和交聯(lián)，使這些藤壺和貽貝粘合劑如此強(qiáng)大。我們最終得到了一種粘合劑，它甚至在顯微鏡下看起來(lái)像它的自然對(duì)應(yīng)物。”
獲得絲纖維素、聚多巴胺和鐵離子固化的酸性條件的正確混合，對(duì)于使粘合劑在水下固化和工作至關(guān)重要，在抵抗剪切力時(shí)達(dá)到2.4 MPa的強(qiáng)度。這比大多數(shù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)性和商業(yè)性粘合劑要好，而且只比最強(qiáng)的水下粘合劑2.8 MPa略低。然而，這種粘合劑的額外優(yōu)勢(shì)是無(wú)毒的，由全天然材料組成，并且只需要每平方英寸1-2毫克就能實(shí)現(xiàn)這種粘合--這只是幾滴。
“可能的安全性、材料的保守使用和卓越的強(qiáng)度相結(jié)合，表明在許多工業(yè)和海洋應(yīng)用中具有潛在的效用，甚至可以適用于面向消費(fèi)者的，如模型建造和家庭使用，”來(lái)自巴里大學(xué)Aldo Moro的研究合作者、塔夫茨大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程的兼職教授Gianluca Farinola說(shuō)。Omenetto補(bǔ)充說(shuō)：“我們已經(jīng)將絲質(zhì)纖維素作為一種生物相容性材料用于醫(yī)療用途，這一事實(shí)正促使我們也探索這些應(yīng)用。”
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