有序结构促进以DOPA为媒介的粘附

海洋贻贝因能够强有力地粘附在岩石表面抵御海洋潮汐而有名。这一特征归因于贻贝附着蛋白的特点。据发现,贻贝附着蛋白中含有大量的非规范性氨基酸 — 3,4 – 二羟基苯丙氨酸(DOPA)。已经证明,DOPA中的儿茶酚部分可以强力粘附各种类型的潮湿表面,包括金属、金属氧化物和聚合物。受到这种独创性设计的启发,人们已经成功合成出了许多不同的含儿茶酚的高分子作为有效的表面涂层材料。被美国西北大学Messersmith教授及其同事首次合成出的聚多巴胺(PDA)就是这样一种高分子。把天然贻贝附着蛋白和含有儿茶酚的合成高分子运用于界面粘附已被广泛探讨。但是,如何合理地调整粘附强度仍旧让人难以捉摸。

最近,来自西班牙加泰罗尼亚纳米科技研究所的Dr. Daniel Ruiz-Molina 及其同事报道了一项工作,他们用一种基于儿茶酚的自组装单分子层技术制备出了更均匀且粘附性能得到改善的含儿茶酚表面。首先,他们合成出了一种一端带巯基另一端带儿茶酚的分子。由于强的巯基 — 金键合作用,这种分子能够以所有儿茶酚向上的形式在金基底上自组装。在这个策略中,所有的儿茶酚都有序地排列并且能够共同贡献于界面粘附。相反,在含有DOPA的高分子中,儿茶酚随机分布在表面涂层,总体的粘附性没有得到改善。实际上,基于分析由原子力显微镜(AFM)得到的局部力 – 距离测量结果,在以儿茶酚为基础的自组装单分子层上的平均粘附力约为45 nN,这个值要比控制PDA涂布的表面粘附力大。再者,在自组装单分子层上的力分布要比在PDA涂布的表面上的力分布更窄,这表明自组装单分子层更均匀。以儿茶酚为基础的自组装单分子层如此惊人的粘附性质在纳米技术领域可能有广泛的应用:作者证明了,他们用这种方法可以成功设计出均匀的、稳定的磁性纳米粒子涂布的表面,这种方法胜过以PDA为基础的涂布方法。

这项工作是一个合理调整仿生材料性能的奇妙例子。在天然的贻贝附着蛋白和含儿茶酚的合成高分子中,随机分布的儿茶酚基团被用来平衡表面粘附和凝聚(他们自身之间的相互作用)。然而,为了充分把所有儿茶酚都用于粘附,在表面有序地排布儿茶酚是很重要的。自组装单分子层法可以满足这项技术的要求,进而可以制备出具有更强粘附力的表面。再者,预计这项技术可以通过引进新的表面化学直接推广应用到其他表面,例如氧化硅。

尽管这项技术有优点,但是作者也提供了一些说明。自组装单分子层表面的粘附性能很大程度上依赖于它的粗糙度。虽然粗糙的表面仍旧保持附着能力,但是粗糙的表面导致更小的粘附力。

原文:Ordered structure boosts DOPA-mediated adhesion

翻译:曹明晶