仿生胶粘剂研究发展前景诱人

摘要：常用的合成胶粘剂在满足粘接要求、方便日常生活的同时，也带来了对健康和环境有害的污染成分。海洋贻贝粘附蛋白超强的防水粘附作用使其能够牢固地粘附在各种基材表面，具有良好的生物相容性、生物降解性和无毒性，为新型胶粘剂的研究提供了思路。本文简要介绍仿贻贝粘附蛋白胶粘剂的研究进展，概述仿生粘附在胶粘剂研究、新产品开发及解决某些难题方面的普遍作用及良好效果。

关键词：贻贝；粘附蛋白；仿生胶粘剂；表面改性

1 前言

胶粘剂是一种能够把分离的材料紧密连接在一起的物质，已被广泛应用于木材加工、建筑工程、轻工、电子、汽车、机械、航空航天、生物医疗等各行业及高科技领域。然而，常用的合成树脂胶粘剂在满足粘接要求、方便日常生活的同时，也带来了对健康和环境有害的污染成分。据统计，国内木材胶粘剂的使用数量占合成胶粘剂总产量的40%以上，主要以“三醛”（脲醛、酚醛、三聚氰胺甲醛）胶为主，占整个木材及人造板用胶量的80%以上。众所周知，这类含甲醛的合成胶粘剂在使用过程中不断地释放出游离态甲醛，对人的眼和呼吸道有刺激作用，还会诱发气管炎、皮炎、肝脏病变、致癌及恶性肿瘤等疾病。聚醋酸乙烯乳液胶粘剂（PVAc乳液）的产量仅次于“三醛”树脂胶粘剂。该胶起始粘接强度好、使用方便、价格低廉、相容性好，深受用户喜欢。但由于可能存在的醋酸乙烯蒸汽有毒，对人体潜在的致癌性令人担优。氯丁橡胶胶粘剂也是用量很大的品种，广泛用于家庭、制鞋、建筑装潢、汽车和一般工业生产等行业中。由于氯丁胶含有大量有毒有害可挥发的有机溶剂（VOC），对健康和环境危害严重。环氧树脂胶粘剂和聚氨酯胶粘剂（PU）是性能优良，相对环保的胶粘剂品种。然而，近年来环氧胶粘剂的主剂环氧树脂被怀疑为环境荷尔蒙物质，影响人体的内分泌；其原料双酚A也被认定为危险物质；另外其固化剂胺系化合物具有过敏作用。聚氨酯胶粘剂中残留的异氰酸酯的释放对人体和环境造成的伤害也引起了人们的普遍关注。

随着人们环境意识的提高和环保法规的日趋完善，环境友好型胶粘剂逐渐成为发展的主要方向。主要体现在以下四方面：（a）从溶剂型向水基型及无溶剂型转变，消除传统胶粘剂使用苯、甲苯等有毒有害易挥发有机溶剂对环境和人体健康的危害；（b）从低甲醛排放向零甲醛排放的转变，消除甲醛对人身心健康的危害；（c）选择无毒、无害的“绿色”原料及助剂，改善胶粘剂行业从业人员的工作环境；（d）各种类型的环境友好型胶粘剂的研究开发正在广泛、深入进行。从另一方面看，环境友好型胶粘剂的研发、生产及使用也受到各个环节利益的制约。作为推动环境友好型胶粘剂产业发展的首要条件，必须从新产品、新技术研发的源头上足够重视，获得原料易得、合成工艺简单、使用方便、性能优异的配套、集成技术，为各类环境友好型胶粘剂的生产应用奠定基础。本文选择与仿生胶粘剂研究相关的几个例子，说明仿生粘附在胶粘剂研究、新产品开发及解决某些难题方面的普遍作用及良好效果，供胶粘剂研发人员参考借鉴。

2 仿贻贝粘附研究概述

海洋中的贻贝通过分泌具有快速凝固和超强的防水粘附力的粘附蛋白质粘液，使其能够牢固地粘附在金属、玻璃、聚合物及矿物等各种基材表面，并拥有良好的细胞相容性、生物兼容性、生物降解性和无毒性。宫永宽等人[1]对仿贻贝粘附蛋白胶粘剂材料研究进展进行了综述。美国西北大学的研究人员报道[2]，贻贝粘附蛋白不受水或潮湿环境影响的特殊粘附性能，是贻贝足丝粘附相关蛋白中存在大量的3，4-二羟基苯丙氨酸（多巴，DOPA）或多巴胺（Dopamine，DA）所致（图1）。DOPA或DA中邻苯二酚基团可通过配位与金属形成可逆的有机金属络合物，邻苯二酚被氧化成醌后增强其与憎水表面的相互作用，可产生自聚或与其他有机基团反应形成共价键。这种集配位作用、疏水作用、自聚合及共价键结合的多重粘附机理，赋予贻贝粘附蛋白及其衍生物水中粘附及“万能”粘附的能力[3，4]。

Lee 等[2]选择多巴胺作为仿贻贝粘附蛋白的前驱体，在弱碱性水溶液中，多巴胺自发聚合形成聚多巴胺（PDA）。PDA 不仅能粘附在几乎任何材料的表面，而且具有二次反应能力，使改性后的表面能进一步反应赋予其他功能[2，5，6]。因此，这种PDA介导的表面改性技术可作为一种普适性的表面功能化方法，不受基底材料化学组成及官能团的限制。Gong等人[7]将多巴胺接枝到含仿细胞膜功能的磷酰胆碱的聚甲基丙烯酸酯聚乙二醇（PEG）侧链上，获得了含粘附蛋白多巴胺及细胞外层膜磷酰胆碱基团的双仿生聚合物（PMNC）。该聚合物多巴胺基团侧链摩尔含量可高达50%，能在水溶液中粘附固定在聚四氟乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、玻璃和不锈钢等材料表面，自动形成抗蛋白质吸附及血小板粘附性能优异、结构稳定的仿细胞膜结构涂层。如果将PMNC聚合物中的仿细胞膜基团更换为需要的其他官能团，就能实现对几乎任何材料表面的功能化改性。

3 仿生胶粘剂研究进展

3.1 组织胶粘剂

组织胶粘剂是一种能够应用于生物体组织，具有一定生物相容性和胶粘力的医学材料。在有水和组织液存在的情况下通过胶粘过程得到较高的胶粘强度是组织胶粘剂的基本要求之一。Lee 等人[8～10]将DOPA 等仿贻贝粘附蛋白分子引入四臂PEG聚合物中（图2A），系统研究了这类仿贻贝粘附蛋白聚合物的凝胶化条件，并将其用作外科手术组织胶粘剂[11，12]。研究结果表明，这种仿贻贝粘附的聚乙二醇凝胶胶粘剂对粘附修复胎膜有效，能经受拉伸试验且无毒副作用，值得作为一种使用简便的组织胶粘密封剂进行体内评价试验。

3.2 抗菌水凝胶涂层

多臂PEG 末端邻苯二酚基团不仅能与材料表面作用将聚合物固定，还能原位还原硝酸银，获得负载银纳米颗粒的抗菌水凝胶涂层[8]（图2B）。与未涂覆改性的空白二氧化钛表面相比，这种负载银纳米粒子水凝胶涂层表面的表皮葡萄球菌粘附减少99.8%，成纤维细胞粘附减少99.9%，具有优异的抗细菌粘附及其他生物污染性能。

3.3 丙烯酸酯胶粘剂改性

丙烯酸酯胶粘剂在医用领域用途广泛，如组织胶粘剂、牙齿胶粘剂和骨粘固剂等。常见的丙烯酸酯医用胶粘剂有α-氰基丙烯酸酯类胶粘剂和聚丙烯酸酯类胶粘剂。目前，提高粘接性能、亲水性及生物相容性是医用丙烯酸酯胶粘剂的研究重点。中山大学张峰等[13]将多巴胺接枝在聚丙烯酸/聚丙烯酸丁酯共聚物的羧基上获得仿贻贝改性聚丙烯酸酯类胶粘剂（图3）。结果显示，所合成的可降解型贻贝仿生聚丙烯酸酯高性能胶粘剂的粘接性能提高了2 倍以上，使得其毒副作用大大降低，更有利于在生物体内应用。通过此方法的进一步研究，有望得到一系列高粘性、无毒、高生物相容性和可降解的多巴胺改性医用丙烯酸酯胶粘剂。

3.4 多巴胺改性的聚氨酯胶粘剂

聚氨酯是一种常用的胶粘剂，具有结构可设计、性能可调节、原料易得、合成简单、成本低廉等优点，但在高温高湿下易水解而降低胶粘强度。如何提高胶粘剂的耐高温性、耐水解性，提高粘接强度就成为需要解决的重要问题。涂肖雄等人[14]将粘附基团多巴胺引入到聚氨酯中，合成了多巴胺二羟甲基丙酰胺（DMPA-DA），然后将其作为聚氨酯合成中的扩链剂，制备出侧链含多巴胺的新型聚氨酯胶粘剂（图4）。这种将聚氨酯和多巴胺2者的优点相结合的新型聚氨酯胶粘剂，可使剪切粘接强度提高94% ～ 258%。在碱性（pH=10）及酸性（pH=2）条件下的80 ℃水溶液浸泡2 h后，剪切粘接强度结果表明，多巴胺的引入能在一定程度上提高聚氨酯抗化学粘附能力。不同后处理剂的加入还能大幅度提高剪切粘接强度。相比空气氧化后处理而言，铁离子的加入使得增加的幅度最大；且后处理剂的加入能改善含多巴胺聚氨酯热熔胶的吸水溶胀性。多巴胺的引入能提高聚氨酯压敏胶的初粘性和180°剥离强度。

3.5 光聚合生物胶粘剂

光聚合技术制备生物胶粘剂是一个较新的研究方向，近年来开始有少量报道。与传统应用的代表性生物胶粘剂α-氰基丙烯酸酯类和血纤维蛋白胶相比，光聚合制备生物胶粘剂具有凝胶速度快、对机体损伤小、单体和树脂来源广泛的优点，特别是对于不规则损伤部位的原位修复，具有可操作性强的优势。受贻贝分泌的带有邻苯二酚结构的聚酚蛋白具有超强耐水性粘结能力的启发，牛睿等人[15]选择邻苯二酚结构作为所制备单体的粘附官能团，分别制备了单官能度带有邻苯二酚结构的多巴胺甲基丙烯酰胺（简称DMA）、双官能度带有邻苯二酚结构的多巴胺甲基丙烯酸酯（简称EGAMA-DOPA）。加入0.5%引发剂2959的DMA溶液，在光强30 mW/cm2照射下能在3～15 min内完成凝胶化，对于明胶片材的粘接性能最高可达3.5 MPa。双官能度单体EGAMA-DOPA为液态，可直接进行无溶剂的光聚合；与聚乙二醇双甲基丙烯酸酯共聚，既可提高聚合速度，使凝胶化更完全，还可降低游离单体的含量，提高生物相容性及材料柔韧性。另外，将DMA单体用于电纺丝无纺布膜中，可提高膜的粘附力，作为伤口敷料或多层生物修复膜有应用前景。

最近，Lang等人[16]研制了一种生物相容性、生物降解性、容易使用的生物胶粘剂HLAA。HLAA是一种由聚丙烯酸甘油癸二酸酯[poly（glycerol sebacate acrylate）]预聚物与光引发剂（Irgacure 2959）混合形成的粘稠液体。这种憎水的光引发胶粘剂HLAA可直接涂覆在组织表面，在紫外光照射下几秒钟内发生交联，可替代伤口缝合。这种粘接作用既柔韧又防水，能经受体内高压及血流冲击。通过对鼠和猪试验，HLAA可将心脏补片粘附固定在剧烈跳动的猪心脏表面（图5A），也可单独使用，快速封堵猪颈动脉伤口（图5B）。这种光引发聚合型仿生胶粘剂能解决目前医用胶粘剂高毒性、低强度及遇水粘接性能降低等局限，能够方便地用于血管修复及组织粘合而受到外科医生的欢迎。

4 结语

海洋贻贝粘附蛋白抗水的粘附作用及良好的生物相容性、生物降解性和无毒性，激发了一系列仿贻贝粘附胶粘剂的研究工作。在仿生组织胶粘剂、抗菌水凝胶涂层及光聚合生物胶水等新产品开发，丙烯酸酯及聚氨酯胶粘剂改性等研究方面已经显示出了良好的效果。随着仿贻贝粘附研究工作的深入和普及，许多应用领域有关材料粘接的相容性、耐水性、粘接强度及污染等难题有望得到彻底解决。

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