新型混合式黏膠仿生沙堡蠕蟲黏膠
 
2017/07/21
 
賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
 
 

美國科學家研究沙堡蠕蟲(Phragmatopoma californica)黏膠,開發出新型仿生混合式黏膠,在水中和空氣中都能維持黏性,透過注射過程就可使用,具有不怕水、超強黏附力、和生物相容性,以水取代有機溶劑的方式使黏附過程更環保。未來可開發成水下建築、建物、橋樑、和隧道等的膠黏劑、填縫劑、油漆、塗料,耐受雨水或海水侵害,保持堅固耐久;或研發成防污塗料,塗布在船底、橋墩、或碼頭,避免貝類等海洋生物黏附淤積;也能應用於牙科各類醫材、連接人體義肢和固定植入物、協助黏合治療心臟血管疾病、外科手術傷口和精密胎兒手術微創等醫療領域。研究成果由加州大學聖塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)威特(J. Herbert Waite)教授領導的跨系研究團隊於2016年4月發表在《自然材料科學》(Nature Materials)期刊。

 

小型海洋生物沙堡蠕蟲又名蜂巢蟲或蜂巢管蠕蟲,屬於環節動物門(Annelida)多毛綱(Polychaeta)管觸鬚目(Canalipalpata)纓鰓蟲科(Sabellarididae),本種頭部具有許多纖毛狀觸手抓取水中細小貝殼或沙粒等材料,搬移到口器前的一對稱為鉗狀唇瓣(pincer-shaped palps)的建築器官,這對唇瓣會分泌液態蛋白質黏膠塗抹在建材上,從尾部圍繞身體,往上建造約2.5公分長、具有圓形開口,稱為「棲管」的管狀巢藏身。當被海水浸沒時,沙堡蠕蟲會從棲管伸出觸手收集食物顆粒進食,建材顆粒則用於修補或加高棲管,退潮時就以剛毛製成的盾狀口蓋封閉管口保護。常群聚生活,形成超過兩公尺、近似多孔礁石的大型蜂巢狀聚落。

 

研究團隊分析沙堡蠕蟲的液態黏膠黏附機制,發現黏膠液體是由微酸性(pH=5)富含聚陰離子肽的O-磷酸絲氨酸(O-phosphoserine)、具高賴氨酸(Lysine)和精氨酸(Arginine)的聚陽離子肽等相反電荷的多肽(polypeptides)組成,沉積到顆粒表面時,將凝聚流體相轉化為固體。首先形成與周遭微鹼性(pH=8.2)海水混合後不會溶解的蛋白質金屬離子絡合物,和氧化的左旋多巴(3,4-二羥苯丙氨酸,3,4-dihydroxy-L-phenylalanine,簡稱L-DOPA或L-多巴)形成交聯的緩慢共價固化,在建材表面硬化為聚電解質絡合物(polyelectrolyte complexes)的海綿狀多孔固體黏膠,構成永久黏附。左旋多巴是一種帶有鄰苯二酚(catechol)側基的胺基酸殘基,可透過氧化交聯形成共價鍵提升黏合性,也能與金屬離子(主要是正三價鐵離子)和不同基材表面配位增加黏附強度,對強力黏附性具關鍵作用。

 

他們將仿生重點放在沙堡蠕蟲形成複合凝聚層(complex coacervates)水性聚電解質絡合物的濕黏附機制,這種結構化流體具高密度、高擴散性、和低界面張力特性,可透過溶劑交換(solvent exchange)活化。由於大部分有機溶劑具較低的介電常數(ε,數字低表示絕緣能力強),可在弱聚電解質中抑制離子化,將介質從低ε的有機變為高ε的水基溶劑,來調節中性及帶電弱聚電解質間絡合反應,導致溶劑交換。結合此特性能有效控制黏附作用的起始反應點,當遇到水後不僅快速反應,還能增加濕黏附的穩定性。

 

研究團隊依研究結果仿生聚電解質絡合物濕黏附機制,用AB膠概念分別製造溶於二甲基亞碸(dimethyl sulphoxide,(CH3)2SO,簡稱DMSO)的兩種聚合物,第一種是用鄰苯二酚官能化的聚丙烯酸(poly(acrylic acid),簡稱PAAcat),第二種是與雙三氟甲磺酰亞胺(bis(trifluoromethane-sulphonyl)imide,簡稱Tf2N-)離子配對的季銨化殼聚醣(quaternized chitosan,簡稱QCS-Tf2N),組成新型仿生混合式黏膠。

將PAAcat和QCS-Tf2N溶於DMSO形成高分子混合物溶液時,因DMSO的介電常數較低,PAAcat的丙烯酸基(COOH)未離子化,沒有絡合反應;把高分子混合物溶液注入水中,因水和DMSO進行溶劑交換,引起PAAcat去質子化,將丙烯酸基從中性轉化為帶負電荷(COO),造成陰性PAAcat和陽性QCS-Tf2N間的靜電吸引,形成聚電解質絡合物;同時高分子混合物溶液的體積從5微升(μL=10-6L)變成0.18 ± 0.1微升,縮小90%以上。PAAcat中的鄰苯二酚密度愈高,仿生黏膠固化結構愈疏鬆多孔,愈不易斷裂。

 

新型仿生混合式黏膠在水中固化低於25秒,在玻璃表面即產生黏附力,固化時間愈久其黏附力愈強,係以黏膠放入羅丹明6G(Rhodamine 6G)染料追蹤,在水中以注射器將黏膠擠出圖案至聚合物、金屬、玻璃、貽貝殼、石頭、葉子、和木材等20多種基材表面,持續25秒至1小時等不同時間在水中固化,離水到空氣中噴射2-30巴(bar=1.0197 Kg/cm2,2巴等於每平方公分承受2.04公斤重量)的水至仿生黏膠塗層15秒測試黏附力所產生的結果。若在沸水中可耐受1小時,再放入DMSO或甲醇、乙醇(酒精)、異丙醇、丙酮、四氫呋喃(THF)、乙醚、和二甲基甲酰胺(DMF)等其他溶劑中,對各種表面基材仍具有快速穩定的黏附力。再以一根棉線點黏在載玻片上,1小時後離水取出,棉線在空氣中可支撐20公克載玻片重量。若以兩片載玻片在水中注射仿生黏膠,無須施壓就可彼此黏合。

 

由於這種黏膠固化後無法以水噴射破壞,卻可用丁腈橡膠(nitrile rubber)手套的特定摩擦力擦掉,因此調節仿生黏膠的鄰苯二酚密度、聚電解質絡合物、溶劑交換、和物理結構等,就可在潮濕環境下呈現超強黏附或去除黏性。新型仿生混合式黏膠不僅可在各種環境條件和各種表面快速黏合,應用面寬廣,而且更環保,對環境或資源都有極大幫助。

 

(以上新聞編譯自2016年4月發行之Nature Materials期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 
 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
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