仿生膠粘劑研究發(fā)展前景誘人

摘要：常用的合成膠粘劑在滿足粘接要求、方便日常生活的同時，也帶來了對健康和環(huán)境有害的污染成分。海洋貽貝粘附蛋白超強的防水粘附作用使其能夠牢固地粘附在各種基材表面，具有良好的生物相容性、生物降解性和無毒性，為新型膠粘劑的研究提供了思路。本文簡要介紹仿貽貝粘附蛋白膠粘劑的研究進展，概述仿生粘附在膠粘劑研究、新產(chǎn)品開發(fā)及解決某些難題方面的普遍作用及良好效果。

關(guān)鍵詞：貽貝；粘附蛋白；仿生膠粘劑；表面改性

1 前言

膠粘劑是一種能夠把分離的材料緊密連接在一起的物質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用于木材加工、建筑工程、輕工、電子、汽車、機械、航空航天、生物醫(yī)療等各行業(yè)及高科技領(lǐng)域。然而，常用的合成樹脂膠粘劑在滿足粘接要求、方便日常生活的同時，也帶來了對健康和環(huán)境有害的污染成分。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)木材膠粘劑的使用數(shù)量占合成膠粘劑總產(chǎn)量的40%以上，主要以“三醛”（脲醛、酚醛、三聚氰胺甲醛）膠為主，占整個木材及人造板用膠量的80%以上。眾所周知，這類含甲醛的合成膠粘劑在使用過程中不斷地釋放出游離態(tài)甲醛，對人的眼和呼吸道有刺激作用，還會誘發(fā)氣管炎、皮炎、肝臟病變、致癌及惡性腫瘤等疾病。聚醋酸乙烯乳液膠粘劑（PVAc乳液）的產(chǎn)量僅次于“三醛”樹脂膠粘劑。該膠起始粘接強度好、使用方便、價格低廉、相容性好，深受用戶喜歡。但由于可能存在的醋酸乙烯蒸汽有毒，對人體潛在的致癌性令人擔優(yōu)。氯丁橡膠膠粘劑也是用量很大的品種，廣泛用于家庭、制鞋、建筑裝潢、汽車和一般工業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)中。由于氯丁膠含有大量有毒有害可揮發(fā)的有機溶劑（VOC），對健康和環(huán)境危害嚴重。環(huán)氧樹脂膠粘劑和聚氨酯膠粘劑（PU）是性能優(yōu)良，相對環(huán)保的膠粘劑品種。然而，近年來環(huán)氧膠粘劑的主劑環(huán)氧樹脂被懷疑為環(huán)境荷爾蒙物質(zhì)，影響人體的內(nèi)分泌；其原料雙酚A也被認定為危險物質(zhì)；另外其固化劑胺系化合物具有過敏作用。聚氨酯膠粘劑中殘留的異氰酸酯的釋放對人體和環(huán)境造成的傷害也引起了人們的普遍關(guān)注。

隨著人們環(huán)境意識的提高和環(huán)保法規(guī)的日趨完善，環(huán)境友好型膠粘劑逐漸成為發(fā)展的主要方向。主要體現(xiàn)在以下四方面：（a）從溶劑型向水基型及無溶劑型轉(zhuǎn)變，消除傳統(tǒng)膠粘劑使用苯、甲苯等有毒有害易揮發(fā)有機溶劑對環(huán)境和人體健康的危害；（b）從低甲醛排放向零甲醛排放的轉(zhuǎn)變，消除甲醛對人身心健康的危害；（c）選擇無毒、無害的“綠色”原料及助劑，改善膠粘劑行業(yè)從業(yè)人員的工作環(huán)境；（d）各種類型的環(huán)境友好型膠粘劑的研究開發(fā)正在廣泛、深入進行。從另一方面看，環(huán)境友好型膠粘劑的研發(fā)、生產(chǎn)及使用也受到各個環(huán)節(jié)利益的制約。作為推動環(huán)境友好型膠粘劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要條件，必須從新產(chǎn)品、新技術(shù)研發(fā)的源頭上足夠重視，獲得原料易得、合成工藝簡單、使用方便、性能優(yōu)異的配套、集成技術(shù)，為各類環(huán)境友好型膠粘劑的生產(chǎn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本文選擇與仿生膠粘劑研究相關(guān)的幾個例子，說明仿生粘附在膠粘劑研究、新產(chǎn)品開發(fā)及解決某些難題方面的普遍作用及良好效果，供膠粘劑研發(fā)人員參考借鑒。

2 仿貽貝粘附研究概述

海洋中的貽貝通過分泌具有快速凝固和超強的防水粘附力的粘附蛋白質(zhì)粘液，使其能夠牢固地粘附在金屬、玻璃、聚合物及礦物等各種基材表面，并擁有良好的細胞相容性、生物兼容性、生物降解性和無毒性。宮永寬等人[1]對仿貽貝粘附蛋白膠粘劑材料研究進展進行了綜述。美國西北大學(xué)的研究人員報道[2]，貽貝粘附蛋白不受水或潮濕環(huán)境影響的特殊粘附性能，是貽貝足絲粘附相關(guān)蛋白中存在大量的3，4-二羥基苯丙氨酸（多巴，DOPA）或多巴胺（Dopamine，DA）所致（圖1）。DOPA或DA中鄰苯二酚基團可通過配位與金屬形成可逆的有機金屬絡(luò)合物，鄰苯二酚被氧化成醌后增強其與憎水表面的相互作用，可產(chǎn)生自聚或與其他有機基團反應(yīng)形成共價鍵。這種集配位作用、疏水作用、自聚合及共價鍵結(jié)合的多重粘附機理，賦予貽貝粘附蛋白及其衍生物水中粘附及“萬能”粘附的能力[3，4]。

Lee 等[2]選擇多巴胺作為仿貽貝粘附蛋白的前驅(qū)體，在弱堿性水溶液中，多巴胺自發(fā)聚合形成聚多巴胺（PDA）。PDA 不僅能粘附在幾乎任何材料的表面，而且具有二次反應(yīng)能力，使改性后的表面能進一步反應(yīng)賦予其他功能[2，5，6]。因此，這種PDA介導(dǎo)的表面改性技術(shù)可作為一種普適性的表面功能化方法，不受基底材料化學(xué)組成及官能團的限制。Gong等人[7]將多巴胺接枝到含仿細胞膜功能的磷酰膽堿的聚甲基丙烯酸酯聚乙二醇（PEG）側(cè)鏈上，獲得了含粘附蛋白多巴胺及細胞外層膜磷酰膽堿基團的雙仿生聚合物（PMNC）。該聚合物多巴胺基團側(cè)鏈摩爾含量可高達50%，能在水溶液中粘附固定在聚四氟乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、玻璃和不銹鋼等材料表面，自動形成抗蛋白質(zhì)吸附及血小板粘附性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的仿細胞膜結(jié)構(gòu)涂層。如果將PMNC聚合物中的仿細胞膜基團更換為需要的其他官能團，就能實現(xiàn)對幾乎任何材料表面的功能化改性。

3 仿生膠粘劑研究進展

3.1 組織膠粘劑

組織膠粘劑是一種能夠應(yīng)用于生物體組織，具有一定生物相容性和膠粘力的醫(yī)學(xué)材料。在有水和組織液存在的情況下通過膠粘過程得到較高的膠粘強度是組織膠粘劑的基本要求之一。Lee 等人[8～10]將DOPA 等仿貽貝粘附蛋白分子引入四臂PEG聚合物中（圖2A），系統(tǒng)研究了這類仿貽貝粘附蛋白聚合物的凝膠化條件，并將其用作外科手術(shù)組織膠粘劑[11，12]。研究結(jié)果表明，這種仿貽貝粘附的聚乙二醇凝膠膠粘劑對粘附修復(fù)胎膜有效，能經(jīng)受拉伸試驗且無毒副作用，值得作為一種使用簡便的組織膠粘密封劑進行體內(nèi)評價試驗。

3.2 抗菌水凝膠涂層

多臂PEG 末端鄰苯二酚基團不僅能與材料表面作用將聚合物固定，還能原位還原硝酸銀，獲得負載銀納米顆粒的抗菌水凝膠涂層[8]（圖2B）。與未涂覆改性的空白二氧化鈦表面相比，這種負載銀納米粒子水凝膠涂層表面的表皮葡萄球菌粘附減少99.8%，成纖維細胞粘附減少99.9%，具有優(yōu)異的抗細菌粘附及其他生物污染性能。

3.3 丙烯酸酯膠粘劑改性

丙烯酸酯膠粘劑在醫(yī)用領(lǐng)域用途廣泛，如組織膠粘劑、牙齒膠粘劑和骨粘固劑等。常見的丙烯酸酯醫(yī)用膠粘劑有α-氰基丙烯酸酯類膠粘劑和聚丙烯酸酯類膠粘劑。目前，提高粘接性能、親水性及生物相容性是醫(yī)用丙烯酸酯膠粘劑的研究重點。中山大學(xué)張峰等[13]將多巴胺接枝在聚丙烯酸/聚丙烯酸丁酯共聚物的羧基上獲得仿貽貝改性聚丙烯酸酯類膠粘劑（圖3）。結(jié)果顯示，所合成的可降解型貽貝仿生聚丙烯酸酯高性能膠粘劑的粘接性能提高了2 倍以上，使得其毒副作用大大降低，更有利于在生物體內(nèi)應(yīng)用。通過此方法的進一步研究，有望得到一系列高粘性、無毒、高生物相容性和可降解的多巴胺改性醫(yī)用丙烯酸酯膠粘劑。

3.4 多巴胺改性的聚氨酯膠粘劑

聚氨酯是一種常用的膠粘劑，具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計、性能可調(diào)節(jié)、原料易得、合成簡單、成本低廉等優(yōu)點，但在高溫高濕下易水解而降低膠粘強度。如何提高膠粘劑的耐高溫性、耐水解性，提高粘接強度就成為需要解決的重要問題。涂肖雄等人[14]將粘附基團多巴胺引入到聚氨酯中，合成了多巴胺二羥甲基丙酰胺（DMPA-DA），然后將其作為聚氨酯合成中的擴鏈劑，制備出側(cè)鏈含多巴胺的新型聚氨酯膠粘劑（圖4）。這種將聚氨酯和多巴胺2者的優(yōu)點相結(jié)合的新型聚氨酯膠粘劑，可使剪切粘接強度提高94% ～ 258%。在堿性（pH=10）及酸性（pH=2）條件下的80 ℃水溶液浸泡2 h后，剪切粘接強度結(jié)果表明，多巴胺的引入能在一定程度上提高聚氨酯抗化學(xué)粘附能力。不同后處理劑的加入還能大幅度提高剪切粘接強度。相比空氣氧化后處理而言，鐵離子的加入使得增加的幅度最大；且后處理劑的加入能改善含多巴胺聚氨酯熱熔膠的吸水溶脹性。多巴胺的引入能提高聚氨酯壓敏膠的初粘性和180°剝離強度。

3.5 光聚合生物膠粘劑

光聚合技術(shù)制備生物膠粘劑是一個較新的研究方向，近年來開始有少量報道。與傳統(tǒng)應(yīng)用的代表性生物膠粘劑α-氰基丙烯酸酯類和血纖維蛋白膠相比，光聚合制備生物膠粘劑具有凝膠速度快、對機體損傷小、單體和樹脂來源廣泛的優(yōu)點，特別是對于不規(guī)則損傷部位的原位修復(fù)，具有可操作性強的優(yōu)勢。受貽貝分泌的帶有鄰苯二酚結(jié)構(gòu)的聚酚蛋白具有超強耐水性粘結(jié)能力的啟發(fā)，牛睿等人[15]選擇鄰苯二酚結(jié)構(gòu)作為所制備單體的粘附官能團，分別制備了單官能度帶有鄰苯二酚結(jié)構(gòu)的多巴胺甲基丙烯酰胺（簡稱DMA）、雙官能度帶有鄰苯二酚結(jié)構(gòu)的多巴胺甲基丙烯酸酯（簡稱EGAMA-DOPA）。加入0.5%引發(fā)劑2959的DMA溶液，在光強30 mW/cm2照射下能在3～15 min內(nèi)完成凝膠化，對于明膠片材的粘接性能最高可達3.5 MPa。雙官能度單體EGAMA-DOPA為液態(tài)，可直接進行無溶劑的光聚合；與聚乙二醇雙甲基丙烯酸酯共聚，既可提高聚合速度，使凝膠化更完全，還可降低游離單體的含量，提高生物相容性及材料柔韌性。另外，將DMA單體用于電紡絲無紡布膜中，可提高膜的粘附力，作為傷口敷料或多層生物修復(fù)膜有應(yīng)用前景。

最近，Lang等人[16]研制了一種生物相容性、生物降解性、容易使用的生物膠粘劑HLAA。HLAA是一種由聚丙烯酸甘油癸二酸酯[poly（glycerol sebacate acrylate）]預(yù)聚物與光引發(fā)劑（Irgacure 2959）混合形成的粘稠液體。這種憎水的光引發(fā)膠粘劑HLAA可直接涂覆在組織表面，在紫外光照射下幾秒鐘內(nèi)發(fā)生交聯(lián)，可替代傷口縫合。這種粘接作用既柔韌又防水，能經(jīng)受體內(nèi)高壓及血流沖擊。通過對鼠和豬試驗，HLAA可將心臟補片粘附固定在劇烈跳動的豬心臟表面（圖5A），也可單獨使用，快速封堵豬頸動脈傷口（圖5B）。這種光引發(fā)聚合型仿生膠粘劑能解決目前醫(yī)用膠粘劑高毒性、低強度及遇水粘接性能降低等局限，能夠方便地用于血管修復(fù)及組織粘合而受到外科醫(yī)生的歡迎。

4 結(jié)語

海洋貽貝粘附蛋白抗水的粘附作用及良好的生物相容性、生物降解性和無毒性，激發(fā)了一系列仿貽貝粘附膠粘劑的研究工作。在仿生組織膠粘劑、抗菌水凝膠涂層及光聚合生物膠水等新產(chǎn)品開發(fā)，丙烯酸酯及聚氨酯膠粘劑改性等研究方面已經(jīng)顯示出了良好的效果。隨著仿貽貝粘附研究工作的深入和普及，許多應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)材料粘接的相容性、耐水性、粘接強度及污染等難題有望得到徹底解決。

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