上海交通大学陈玉洁/杨秩JPS综述：仿生水下/湿粘合剂的黏附机理及应用

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水下/湿润条件下的黏附材料在智能机器人(信号监测与传感设备)、可穿戴设备(包括湿爬、电子皮肤)、生物医药(包括创面敷料、骨粘连、快速止血)等领域具有十分广泛的应用前景，得到了广泛的研究。但是目前水下/湿润条件下的粘合剂的研究和使用依然困难。这是因为在水环境下，粘合剂本身因为水的长时间侵蚀，而受到塑化、溶胀、水解等不同形式的破坏。此外，黏附表面的水合层的形成也破坏了粘合剂和材料表面的黏附作用力。于此同时，水的存在进一步减少了黏附面积，进而降低了黏附强度。因此，水下/湿润条件下的粘合剂的研发依然是一个重大的挑战。

在自然界中，许多生物体在水下、海水、潮汐等复杂的生存环境下，由于其黏附表面具有特殊的化学成分和/或特殊的微纳米结构，能够有效地固定和接触底物并进行移动和捕食。受这些独特的水下生物黏附的启发，近几年新型的水下粘合剂的设计和制备取得了重大进展。

近日，上海交通大学材料学院陈玉洁副研究员和上海交通大学医学院附属第九人民医院杨秩副教授团队在Journal of Polymer Science上发表综述文章“Mechanisms and applications of bioinspired underwater/wet adhesives”，基于黏附的化学成分以及结构角度，系统地总结了水下/湿润条件下黏附生物和相应的黏附结构（图1），以及相关的近几年由生物启发的粘合剂的主要粘附机理和代表性研究进展。

图1. 基于黏附成分以及黏附结构的代表性水下/湿润条件下生物.

基于黏附成分的生物主要有贻贝，藤壶，牡蛎以及沙堡蠕虫等。文章首先详细地介绍了贻贝水下的黏附结构及过程（图2），和相对应的Adhesion, Coacervation以及Cohesion黏附机制（图3）。贻贝分泌物中丰富的邻苯二酚基团以及相应结构可与表面形成氢键、 cation-π作用、离子络合等，是实现稳定水下/湿润条件下粘附的关键因素之一。此外，关于藤壶，牡蛎以及沙堡蠕虫的黏附结构和黏附机制（图4），以及相关代表性的黏附成分启发的水下/湿润条件下的粘合剂的研究进展也进一步被讨论和总结。

图2. 贻贝水下的黏附过程

图3. Adhesion, Coacervation以及Cohesion黏附机制.

图4. 藤壶、沙堡蠕虫和牡蛎的水下黏附结构

其次，基于黏附结构的生物主要有章鱼、喉盘鱼、树蛙、蜉蝣和壁虎等。文章详细地讨论并总结了章鱼和粘鱼的吸盘状结构，树蛙脚趾的微多边形结构，以及蜉蝣幼虫和硬骨鱼的刺状结构（图5）在黏附过程中所起到的关键作用以及黏附机制，并进一步总结了相关黏附结构启发的人工粘合剂。

图5. 章鱼、喉盘鱼、树蛙、蜉蝣和壁虎的结构黏附机制

因此，基于粘附因素，仿生水下粘合剂的潜在粘附机制可分为黏附成分主导和黏附结构主导的粘附。成分主导的粘附是由粘附组分产生的，例如由贻贝、藤壶和沙堡蠕虫等分泌的粘附蛋白或凝聚层（coacervates）等。黏附结构导致的黏附主要是由章鱼和粘鱼的吸盘状结构、树蛙脚趾的微多边形图案以及蜉蝣幼虫和硬骨鱼的刺状结构引起的。进一步地，基于仿生水下/湿环境下生物的黏附成分以及黏附结构的启发，各种相对应的水下/湿环境下粘合剂的具体应用，包括生物医学(如伤口敷料和骨粘接剂)、水下粘接剂(如海洋环境)、可穿戴设备(如电子设备)等也在文章中得到详细的总结和讨论（图6）。

图6. 受生物启发的黏附水凝胶的应用

总的来说，设计出能够在水下/湿润环境中成功粘附的合格粘合剂仍然具有挑战性，因为必须考虑很多因素。除了现有的生物启发的粘合剂之外，还需要进一步提高人工粘合剂的性能。例如，在最近的相关文献中，除了从贻贝和沙堡蠕虫得到的含有儿茶酚的胶粘剂外，还报道了从植物中提取的没食子的黏附单元。此外，单宁酸在葡萄等食用水果中含量丰富，是一种广泛应用于胶粘剂制备的酚类化合物，可用于设计水下/湿式粘合剂。此外，对于结构导向的粘合剂，额外的数学和/或物理模型将有助于理解所设计结构的黏附机理。因此，在这一领域还需要做更多的工作，而新型的仿生粘合剂有望在预期功能和先进性能之间实现无缝集成。

论文信息：Mechanisms and applications of bioinspired underwater/wet adhesives

¹Chao Cai, ¹Zhen Chen, *Yujie Chen, Hua Li, *Zhi Yang, Hezhou Liu

Journal of Polymer Science

https://doi.og/10.1002/pol.20210521

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