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你愛吃的芝士烤青口,還能癒合小鼠的傷口、粘豬皮、凈化污水……

芝士烤青口,蒜蓉炒青口, 白酒燴淡菜,海虹鮮湯……說到這些,你口水是不是要流下來了?所謂青口、淡菜、海虹,指的都是一種東西:貽貝

貽貝是一種雙殼類軟體動物,廣泛分布在全球海域,也是價格便宜量又足的海鮮。貽貝口感豐富、烹飪起來也簡單,尤其是法國大廚的最愛,加一點黃油和蒜、倒入白葡萄酒,就是一鍋美食。

圖 | 圖蟲創意

然而要獲得這種美味可不容易,貽貝會牢牢粘附在礁石上,不讓別人輕易得手。同時,瘋長的貽貝還是人們口中臭名昭著的「偷渡客」,因其可以粘附在船底,搭便車到世界各地,但卻對船體造成嚴重損害。

但轉念一想——為什麼貽貝黏東西黏得這麼緊?還是在水下?一般的膠水不太能在濕潤的地方起效,被水稀釋了之後就會失去黏性,貽貝的這個特性或許能給我們許多啟發。

貽貝的粘附力為啥那麼強?

貽貝這種預防掠奪、在強勁海流和洶湧巨浪保持高強度粘附的能力,僅僅是源於其分泌的一根根極其細長的足絲。這些足絲是由蛋白質構成的。

貽貝的足絲牢牢地黏附於礁石上 | Wikipedia

蛋白質雖常見,但卻沒見用雞蛋清就能粘附這麼牢固的,這其中到底有什麼秘密呢?

足絲的「秘密武器」的化學名稱叫二羥基苯丙氨酸(DOPA),或稱多巴。多巴強大的粘附力源自一系列的分子動力學,包括氫鍵、疏水與靜電相互作用。多巴含量越高,粘附力越強。科學家在貽貝的足絲蛋白中,發現了至少五種粘附蛋白亞型,都含有多巴,其中足絲蛋白Mefp-3和Mefp-5的多巴含量分別高達21%和27%,而它倆恰好總是處在粘附表面附近。

多巴 | caymanchem

說起多巴,你可能會想到多巴胺。它們確實有聯繫,多巴是多巴胺的前體(也就是經由化學反應生成多巴胺之前的物質),在結構上,它比多巴胺多出一個羧基。科學家們進一步發現,多巴胺也可以像多巴一樣,通過類似的相互作用,粘附於各種固體表面上

多巴胺 | Wikipedia

向小小的貽貝學習粘附

要實現濕環境下的粘附是不容易的,很多常用的膠水膠帶遇水都會很快失效。於是當貽貝的水下粘附進入人們的視線時,科學家們立刻研究起貽貝,以試圖解決濕環境的粘附問題。

其中一個應用環境就是我們的皮膚。皮膚表面會分泌汗液,所以屬於濕環境。一組科學家受到貽貝啟發,曾開發出了一種含有多巴胺的皮膚粘附劑。利用類似貽貝蛋白有效粘附成分的多巴胺,可以使粘附劑粘貼在皮膚表面,即使出汗正常移動都是沒問題的。也曾有研究人員以豬皮為模型,採用含有多巴胺的水凝膠成功地將兩塊豬皮粘在了一起。

另外,生物組織的粘附也是一種濕環境粘附,因為活的生物組織會有體液和血液等。特別是傷口,一旦出血,普通的粘附劑就會失效。

根據貽貝的粘附原理,有研究人員製備了一種用於外科手術中的可注射式生物粘附劑。他們在老鼠的後背製造一處傷口,而後將粘附劑滴加在表面。這種粘附劑可以在沒有縫合的情況下立即止血,並具有促進傷口癒合、可降解、不引發明顯的炎症反應的優點。

類似這樣的小鼠實驗 | Murine Model of Wound Healing

一個小小的貽貝,一點足絲蛋白,一種多巴胺分子,很可能會為傷口處理帶來新的方法。當然,貽貝的啟發不僅限於粘附,它簡直為我們打開了一扇新世界的大門。

舉一反三,解鎖小貽貝的N種用途

貽貝不僅啟發了新型粘附劑的發展,它還有望解決許多難題,例如清除漏油凈化污水

研究發現,多巴胺在粘附在多種表面上的時候,會在表面上形成一層均勻的塗層。多巴胺富含親水的化學基團,因此表面在多巴胺塗層的塗覆下就會具有其親水的性質,同時也將多巴胺的化學基團賦予表面。

不要小看這一步簡單的塗覆,多巴胺的化學基團能使表面具有進一步反應的可能性。例如,如果經過一系列化學反應處理,將其他種類的化學物引入,就可以得到超疏水的材料。這種材料性質的可塑性,都是基於多巴胺易於粘附在各種表面上以及具有活性的化學基團的特性。

左:疏水,右:親水 | product-release

對於海上泄露的原油,超疏水的材料可以選擇性地只吸油而不吸水。吸收的油經過機械擠壓還可以再回收,真的是解決漏油問題的一個好辦法。如果把這種材料做成網或膜,那麼油水混合物通過時,因為材料超疏水,則水會被截留,而油就會通過。反過來,親水的膜或者網就會截留油而給水放行。

不同於之前開發的材料,研究人員認為這些受貽貝啟發的創新材料或許可以被大規模生產,畢竟貽貝的蛋白特性已經有了比較充分的研究,且原材料也十分易得。

除此之外,貽貝也促進了凈水技術的進步。多巴胺分子中含有一些具有活性的化學基團,它們對於工業廢水中的染料,重金屬離子等都是非常好的吸附劑。廢水中的染料?用含有多巴胺的材料吸一吸;重金屬離子?和多巴胺的基團反應一下就帶走。一些重大的全球性的水問題,沒想到依賴小小的貽貝就有解決的希望。

圖 | Mussel-inspired hydrogel tissue adhesives for wound closure

但是,要把貽貝相關的研究發現以更便宜、更穩定、更安全的方式應用到現實生活中,仍需要克服很多挑戰,比如,科學家們還得努力研究氨基酸之間複雜的相互作用網路,從而進一步了解它們的粘附性能。

小小的貽貝可以說是前途無量。它們不僅能以誘人的烹飪美味出現在餐桌上,還有望讓研究人員利用其超強粘附的性能,亮相於生物學、醫學等各個領域。

以動物和植物為靈感來源的仿生材料學研究,還有許多值得我們挖掘的地方-——很多時候,大自然已經給我們的問題準備好了答案啦。

參考文獻:

[1]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201703852

[2]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adhm.201200316

[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961212008502?via=ihub

[4]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S259023851930027X?via=ihub

[5]https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-07/cp-mai070319.php

[6]Mussel-Inspired Surface Engineering for Water-Remediation Materials, https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30027-X

作者:Vivian

編輯:Cloud、李子李子簡訊

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