Page 134 - 《摩擦学学报》2020年第6期

第 6 期 彭宪宇, 等: 海洋生物水下粘附机理及仿生研究 817

寻找灵感，研究自然界中丰富多彩的生物现象，引导 附机理，不仅对完善湿粘附理论具有重要的科学意义，
[5]
着人们去探索和仿生 . 在仿生学研究过程中，明确生 同时也是研发新型水下粘附材料和装置的有力源泉.
物/天然材料的宏观以及微观结构和特性是研发仿生
1 典型海洋生物的粘附机理
材料的必经之路，其难点在于了解被模仿生物系统的
内在运行机制. 自然界中的生物粘附行为往往是生物 1.1 基于黏液的化学作用

在长期进化过程中获得的一种特殊功能或者生存能 粘合剂在人们生活和生产中广泛使用，然而，在
力，通常具有动态、自适应特性. 由于海水的高流动 性能上可以跟海洋生物自身合成的天然胶粘物相媲
性，为适应海洋多变的生活环境，海洋生物的水下粘 美的人工粘合剂却为数不多，尤其是水下特种粘合剂 .
[11]
附现象比较普遍和典型. 近十年来，人们对海洋生物 目前人们从化学成分、分子结构等方面对贻贝、藤壶
水下粘附现象的认识有了很大的进步，例如：贻贝按 和沙塔蠕虫等常见海洋生物的粘附机理进行了大量
照时间顺序分泌不同粘附蛋白分子 [6-7] ，并可以通过海 探索，并形成了一定共识：通过分泌不同的蛋白质分
水条件(包括pH值、盐、离子)调节各种分子的化学反 子作为水下粘合剂，以在动态和动荡的环境中实现牢
应，进而改善粘附界面的机械强度和耐久性 [8-10] ；海胆 固的界面粘合.
可以通过分泌不同成分的黏液来调控管足的粘附和 1.1.1 贻贝
脱附行为. 基于目前对已知海洋生物粘附机理的研究 贻贝是一种广泛分布于沿海和近海区域的甲壳
进展，海洋生物的水下粘附主要包括三种方式：基于 类海洋生物，如图1所示，其足丝腺分泌出一些液态蛋
黏液的化学作用、吸盘结构的物理吸附和黏液-吸盘 白质，挤压到足部的沟槽后形成线状足丝，每条线状
协同作用. 足丝通过端部的“粘附盘”可以牢靠地粘附在固体表
[2]
随着海洋生物粘附机理研究的不断发展和深入， 面 . 研究表明贻贝分泌物的主要成分为足丝蛋白
目前在海洋生物仿生粘附领域取得了许多重要研究 (MAP)，也称为贻贝粘蛋白，该蛋白具有高强度、高韧
[12]
进展，主要包括各类仿生粘合剂、仿生吸盘结构以及 性和防水性 . 贻贝这种优异的粘附性能与其分泌的
运用多种粘附机理综合作用进行仿生的粘附装置. 但 左旋多巴(L-DOPA，3，4-二羟苯丙氨酸)密切相关.
目前各类仿生设计仍存在粘附强度较低、可逆可控性 DOPA的邻苯二酚官能团被认为是贻贝粘附的关键成
不足等问题. 鉴于目前的认识仍不足以全面揭示不同 分，海水中的碱性pH值和阳离子会使邻苯二酚官能团
海洋物种水下粘附的潜在机制，海洋生物粘附机理的 氧化并进一步转化为聚合物，通过螯合作用实现稳定

多样性及综合作用需要进一步探索并不断促进新材 粘附；而非氧化邻苯二酚和海水中的多价阳离子之间
[8]
料和新装置的开发，因此，深入探究海洋生物水下粘 的金属络合作用则提高了胶粘剂结构的韧性 . 除了

(a) (b) (e)
Mfp-3f Mfp-5

(c) Ventral (d) PreCOL Mfp-6
groove
Collagem and TMP Cationic
gland
Phencl Aromatic
Foot gland Core Accessory gland Thread Mfp-1 Nonpolar
proximal thread
Distal depression Polar
Cuticle
Plaque Distal thread Anionic
Surface DOPA
Substratum

Fig. 1 Mussel adhesion mechanism：(a) Mussel foot silk；(b) Source of foot silk and plaque；(c) Protein distribution on
[2]
plaque and foot silk；(d，e) Chemical characteristics of amino acids in mussel feet silk
图 1 贻贝的粘附机理：(a) 贻贝足丝；(b) 足丝和斑块的组成来源；(c) 蛋白质在斑块和足丝线上的分布；
(d，e)贻贝足丝中氨基酸的化学特征 [2]