自然界的生物为先进材料的设计开发提供了无尽的灵感。其中，海洋生物贻贝可以分泌出具有超强水下粘附性和自修复能力足丝，牢牢附着在岩石表面从而抵御恶劣的海洋条件。研究表明，在足丝内部和足丝-岩石表面存在着大量的可逆非共价相互作用，在受到外力冲击时，这些非共价作用力可以通过断裂来耗散能量，赋予足丝较高的强度和韧性，而在外力消失时，已经被破坏的非共价键又可以重新结合，使足丝内部结构得以修复并保持在物体表面的粘附。这些受贻贝启发的可逆分子作用已经被引入到多种高分子体系中，用于制备具有自修复能力、粘附性和环境适应性的仿生材料，在生物医药、能源、和环境等领域得到了广泛应用。

摘要图片

近日，阿尔伯塔大学大学曾宏波教授在 Langmuir 上发表了关于贻贝仿生化学和自修复材料制备的综述文章，总结了近年来贻贝化学和仿贻贝自修复材料的研究进展。主要包括两个方面：第一，从纳米机械性能的角度对发生在贻贝足丝中的可逆非共价作用力进行定量测定并探究其作用机理；第二，将微观的分子作用机理与宏观的聚合物性能进行结合，阐述如何通过引入相应的可逆分子作用实现和优化材料的自修复性能。

贻贝足丝蛋白含有大量的二羟基苯丙氨酸（DOPA），由于其可以与多种表面形成氢键、金属配位、阳离子-π等非共价作用力，通常被认为在贻贝的水下粘附中起决定性作用。然而，近期的大量研究表明，除 DOPA 外，贻贝足丝中的其他芳香环、阴/阳离子基团和组氨酸等也同时参与了多种非共价结合，对足丝的力学性能和粘附特性有着重要贡献。分子力测量技术可以直接从微米、纳米、甚至分子尺度上对不同足丝蛋白的机械性能（弹性模量、形变、粘附力、摩擦力等）进行测定，从而探究不同功能基团和相关非共价作用力对粘附的影响。

图1. 基于 DOPA 的氢键和金属配位作用。

将这些受贻贝启发的非共价作用引入聚合物体系，我们可以获得一系列具有自修复性能的功能高分子材料。通常，功能基团的引入有三种途径：合成带有功能基团的高分子链；原位合成聚多巴胺（PDA）纳米颗粒；直接加入多酚类化合物，如单宁酸等。通过调控引入基团的种类，方式，数量和环境因素，聚合物中的非共价作用力可以被精确地控制，从而表现出理想的机械性能和自修复能力。

作者指出，贻贝启发的自修复材料目前仍然集中于DOPA基团的引入，而如何控制DOPA基团在自然条件下的氧化仍然是一个巨大的挑战。另外，DOPA的加入会在一定程度上阻碍高分子单体的聚合，对材料的力学性能和自修复能力产生影响。目前，对非共价作用力的测量和应用大部分集中于单一作用，如何模仿生物系统对多种非共价作用力进行协调和精确的控制也是未来非常重要的研究方向。

相关论文发表在 Langmuir 上，阿尔伯塔大学博士陈静思为文章的第一作者，曾宏波教授为通讯作者。

曾宏波教授，加拿大阿尔伯塔大学化学工程和材料工程系终身教授，加拿大工程院院士、加拿大国家讲席教授 (Tier 1 Canada Research Chair)。研究方向主要包括胶体与界面科学、高分子材料、仿生材料、分子和纳米力学、以及各种工程过程的界面现象等。已在高水平SCI期刊发表论文~450篇。获加拿大石油青年创新奖，Martha Cook Piper 研究奖，加拿大化学工程期刊讲座奖，加拿大化学和化工学会创新奖，阿尔伯塔大学工程研究优秀奖、工程本科教学优秀奖、工程研究生教学优秀奖和阿尔伯塔大学杰出导师奖，国际杰出青年化学工程师奖，加拿大自然科学与工程研究理事会Steacie奖，范德华(van der Waals)奖等。现兼任Advances in Colloid and Interface Science 等SCI期刊主编和副主编。

扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文

Langmuir 2022, 38, 43, 12999-13008.

Publication Date: Oct. 19, 2022

https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c02372 

Copyright © 2023 American Chemical Society