「蒼蠅腿毛」啟發的粘合劑:低成本,可重複使用!

2020-11-28 騰訊網

人在光滑的地面上通常行走困難，但在自然界中，有很多昆蟲可以在光滑表面上行走自如。它們的腿上有特殊的結構，稱為腳墊。先前的研究表明，昆蟲腳墊由柔軟的毛髮（剛毛）組成，其尖端具有特定的微結構，呈微片狀、盤狀或尖頭狀。腳墊會產生範德華力、庫侖力和吸引的毛細作用力，有助於昆蟲粘附到基材表面。研究發現，昆蟲腳墊分泌物中含有非揮發性脂類物質，其末梢與基質之間的連接處充滿了可分泌的液體，從而產生了毛細作用力，使昆蟲能夠附著在基質上。儘管當前的研究對昆蟲腳墊的形態和功能了解得較多，但對於昆蟲的腳墊是如何形成的這一問題至今仍難以捉摸。

日本北海道教育大學Ken-ichi Kimura和日本國立材料研究所Naoe Hosoda等人證明了果蠅的腳墊是由毛細胞的伸長和肌動蛋白絲的組裝形成的。當毛細胞形成具有肌動蛋白絲束的有效框架時，便會創建功能性的腳墊，從而使毛尖成形並促進表皮沉積。作者利用這種微結構的形成機理，設計了一種新型的人工粘合劑：一種刮鏟狀的纖維框架粘合劑。該粘合劑由尼龍纖維支撐，其尖端帶有凝膠材料。這種簡單的自組裝機制有利於低成本粘合設備的節能生產。該研究以題為「Framework with cytoskeletal actin laments forming insect footpad hairs inspires biomimetic adhesive device design」的論文發表在《自然·通訊》子刊《Communications Biology》上。

【果蠅腳墊的形成】

果蠅腿的遠端被分為五個部分，前面是構成腿尖的結構，在背側和腹側分別有一對爪子和一對腳墊（圖1a）。此外，每個腳墊的莖中大約六排或七排有約30根毛（剛毛）。每根毛髮的尖端寬度約為1-2μm，並呈楔形（圖1b）。使用透射電子顯微鏡（TEM）獲得的橫截面圖像顯示，每根頭髮都是由角質層組成的扁平管（圖1c）。蒼蠅會在腳墊和底物之間分泌一種粘性流體，並利用有吸引力的毛細作用力將其附著在表面上。為了檢查果蠅發育過程中這些腳墊的形成過程，作者使用標記物標記腳墊細胞來監測腳墊的形成。發現在腳墊的框架完成後，便開始表皮的沉積過程。作者還使用可抑制細胞標記法進行鑲嵌分析，結果表明，單個標記的細胞形成了單根頭髮的尖端，表明單個細胞在腳墊上只形成一根毛髮。

圖1 果蠅蛻變過程中腳墊的形成

【肌動蛋白在足墊形成中的作用】

作者通過螢光蛋白與纖維肌動蛋白分子的結合，對毛細胞中的肌動蛋白絲進行染色。研究發現肌動蛋白絲堆積在腳墊細胞的頂端（圖2a），隨著蛻變過程的進行，肌動蛋白絲聚集並形成細胞內呈T狀的骨架。因此，作者確定了細胞骨架肌動蛋白絲能夠在腳墊的單個毛細胞的形成中發揮作用（圖2c）。研究還發現，變形的腳墊會減少每根毛髮的尖端與基材之間的有效接觸面積，從而導致粘附到光滑基材上的能力降低。總而言之，細胞骨架肌動蛋白絲是果蠅用於形成和決定腳掌形狀和結構框架中的必要成分。昆蟲的腳墊發梢顯示出各種形狀，例如有絲狀、針形、片狀和盤狀。結果表明，昆蟲通過這種基於肌動蛋白的形態發生機制為腳墊毛的微觀結構提供獨特的形狀。

圖2肌動蛋白在足墊形成中的作用

【仿生粘合劑設計】

建立腳墊微結構的過程分為兩個步驟（圖3a）。首先，由發梢的肌動蛋白纖維形成一個呈扇形的框架。其次，表皮物質被分泌、積累，然後固化。因此，作者提出了一種使用類似的兩步法製造粘合劑結構的策略（圖3b）。第1步：用尼龍纖維設計結構框架。第2步：將框架浸入樹脂中，並通過表面張力使之形成小巧的結構。最終的膠粘劑結構包含一個由尼龍纖維支撐的片狀結構，膠狀海藻酸鈣材料作為尖端，是與基材的接觸點（圖3c）。浸入水中後，該粘合劑的粘合強度為40±15 mN。當該粘合劑幾乎完全乾燥後，其表現出更高的平均粘合強度（779±108 mN），相當於能夠懸吊60公斤體重的人。圖3e和f展示了一根粘著的頭髮能夠懸掛52.8 g的矽片。

圖3受腳墊形成機理啟發的仿生粘合劑的設計

總結：通過研究昆蟲足墊微結構形成的機理，作者仿生設計了一種有效的粘合劑。作者使用高水分含量的材料來作為位於設備尖端的高度靈活的薄結構，從而增加了實際的接觸面積並提高了在粗糙表面上的粘合能力。此外，通過使用尼龍纖維來實現合併具有高抗拉強度的毛狀纖維，使其能夠承受反覆的附著和分離。未固化的液態原材料（例如海藻酸鈉）將有助於簡化製造過程並降低與設備相關的生產成本。

來源：高分子科學前沿

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