Page 135 - 《摩擦学学报》2020年第6期
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818 摩 擦 学 学 报 第 40 卷
邻苯二酚官能团之外，阳离子-π相互作用也是粘蛋白 胶的降解，维持在基底的牢固粘附. 在藤壶胶粘附过
[13]
强内聚力的重要来源 ，许多带正电荷残基(例如赖氨 程中，还有很多其他可能的微观作用，如图2所示，包
酸和精氨酸)可以去除表面上的盐层进而促进DOPA 括醌交联、二硫键交联、凝固机制和磷酸化蛋白作用
[16]
与表面的结合 [14-15] . Maier等 则发现相邻DOPA和阳 等 ，这些交联方式和特殊机制还有待进一步研究从
[20]
离子残基之间的“one-two punch”协同作用通过形成 而揭示和完善藤壶的粘附机理.
氢键和配位键的方式促进粘附. 此外，贻贝可按照时 1.1.3 沙塔蠕虫
间顺序分泌不同种类的粘附蛋白分子 [6-7] ，并通过各种 沙塔蠕虫可以在海水中用自产的胶水把沙粒和
蛋白分子之间特定的相互作用，以及海水条件(包括 贝壳碎片等粘在自己活动的通道壁上，其中，产生胶
pH值、盐、离子)调节各种分子的化学反应来促进水下 水的分泌腺组织位于胸旁节段中，如图3(a)所示 [2, 27] .
[17]
粘附 [8-10] . 最近，Xu等 从1个崭新的角度进一步揭示 其分泌腺体组织包括两种主要的细胞类型，每个分泌
了贻贝的粘附机理. 其研究发现，贻贝足丝的角质层 细胞都装有成百上千的粘合剂颗粒，分别产生“均质”
3+
沿着厚度方向上铁离子具有多种价态，其中Fe 和 或“异质”分泌颗粒，这些颗粒可以按需快速递送 [28-30] .
2+
Fe 离子随着角质层的深度存在着梯度分布，因富集 沙塔蠕虫分泌的胶水除了有适量的DOPA存在，还包
3+
Fe 而更加坚硬的表层可以减少离子内渗，保护内部 含有六种不同的蛋白质，可分为阳离子型蛋白质和阴
2+
[31]
Fe 的复合结构，从而增强了贻贝足丝在拉伸过程中 离子型蛋白质 ；其中，阴离子型蛋白质有Pc3A和Pc3B
抵抗拉伸形变的能力，进一步揭示了贻贝足丝优异粘 两种，阳离子型蛋白质有Pc1、Pc2、Pc4和Pc5四种，它
附性能的来源，对设计/制造具有高强度、高韧性和自 们都至少含有10%的芳香族氨基酸(酪氨酸和DOPA)，
我修复能力的生物粘合剂具有重要意义. 可催化DOPA侧链的交联 [32-34] . 沙塔蠕虫胶的独特之
1.1.2 藤壶 处在于同时存在带相反电荷的聚电解质成分，在粘附
在海洋环境中，藤壶是一种具有惊人粘附能力的 过程中，通过聚电解质相互络合形成稳定的胶状物；
生物，有极强的适应性，并通过分泌黏性极强且可在 同时，凝胶中的多巴残留物及磷酸盐协同促进其水下
[35]
水下交联聚合的藤壶胶，牢固地附着在水下物体表面. 粘附 . 蠕虫胶分泌后包括两个固化过程：在一开始
藤壶新分泌且呈现液态的胶为液态胶，交联固化后的 的30 s内发生初始固化，依靠海水和分泌系统的pH值
藤壶胶分为藤壶正常生长过程中分泌的初生胶和外 差异触发，磷酸盐促进初始固化作用 ，其他的钙离
[36]
力作用引导分泌的次生胶 . 藤壶胶的分泌主要依靠 子等通过形成离子键和与DOPA发生配位促进固化过
[18]
基因进行调控，其合成过程具有选择性表达的特点 [19-20] . 程 [37-39] ，带相反电荷的离子基团在静电相互作用下形
[34]
藤壶将附着表面和其钙质底盘通过几微米的胶层连 成聚电解质复合物，防止在海水中溶解 ；初始固化
接起来，然后液态胶通过分泌腺连接导管网络系统分 之后的几个小时或几天之后，粘合剂中的DOPA开始
泌出来，并且为了防止藤壶蛋白分泌之前被挤压出 起到主要作用；除了DOPA本身可以利用氢键、阳离
来，液态胶蛋白在分泌腺细胞中呈折叠的二级结构 [11, 21-22] ； 子-π相互作用、π-π相互作用等与目标表面和胶水内部
[23]
Okano等 研究发现藤壶胶的分泌以胞吐作用为主要 形成非共价相互作用 [40-41] ，DOPA被氧化成醌式结构，
方式，并且与儿茶酚胺能神经元密切相关，其成分超 也会促进大量的共价键的形成，从而增强胶水的内聚
过90%是蛋白质，但是在藤壶胶蛋白中却一直没能检 力 [34, 42] .
测到多巴的存在 ；其中，分离出的Mrcp-20k蛋白具 1.2 基于吸盘结构的物理吸附
[11]
有 3D结 构 ， 可 稳 固 地 粘 附 在 藤 壶 钙 质 底 盘 上 [24] . 大自然提供了很多有趣的粘附机制，除了上文所
Kamino等 [25-26] 则进一步通过HCI和DTT在pH9.0和60 ℃ 述的黏液类粘附机制以外，还有些海洋生物主要依靠
环境下将大部分藤壶胶溶解，鉴定出cp100k、cp52k、 吸盘类结构产生的压力差来进行吸附，并且可以依
cp68k、cp20k、cp19k和cp16k六种成分，其中，藤壶利 赖复杂的肌肉、纤维组织等进行快速的粘附-脱附
[43]
用cp68k、cp19k和cp20k 蛋白取代基底表面的水化层 转换 .
并将藤壶胶在材料表面进行扩散及表面偶联，然后 1.2.1 章鱼
胶蛋白通过自组装的方式将两种材料粘接在一起； 章鱼是一种常见的海洋软体动物，通常在多岩石
cp52k和cp100k通过分子间疏水性相互作用或其他机 海底洞穴或缝隙中栖息 . 章鱼的每只腕足上都分布
[44]
制使其他胶蛋白结合在一起，cp16k则可以防止藤壶 满锥状吸盘，能够吸附起自重20倍的物体 [45-46] . 章鱼吸
