生物質仿貽貝粘附材料的研究進展

李之朋，徐文彪，時君友

（1.東北電力大學化學工程學院，吉林 吉林 132000；2.東北林業大學材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

隨著科技的進步，膠粘劑已廣泛應用于家居、包裝、印刷、建筑和醫藥等領域，甚至在航天等軍事領域也發揮著重要的作用。在人造板和復合地板領域的膠粘劑主要以脲醛樹脂、酚醛樹脂和三聚氰胺樹脂為主，其主要原料甲醛是不可再生的石化能源，膠接制品中的甲醛釋放問題更是亟待解決的難題。因此，積極開發綠色環保、節能可再生類膠粘劑，同時大力優化傳統膠粘劑的自身污染缺陷、研發高品質和低毒的助劑是膠粘劑行業發展的必經之路[1]。

近年來，我國膠粘劑領域的發展取得了一定的成績，尤其在新膠種的開發和在傳統膠粘劑基礎上采用不斷補強方法來適合社會需要方面顯得尤為突出。不過，隨著人們環保意識的不斷增強，針對膠粘劑領域長期存在的過度依賴于石化能源的問題，今后膠粘劑的發展要通過以下幾種形式予以突破：①低甲醛釋放到零甲醛釋放的轉變；②溶劑型到水基型及無溶劑型的轉變；③石化原料由綠色可再生物質進行替代的轉變。

如何在經濟發展與綠色環境中找到一個平衡點是目前全球面臨的一大難題[2]。生物質膠粘劑的研發能從本質上解決膠粘劑領域目前存在的石化資源短缺和環境污染等問題，這是符合膠粘劑可持續發展的有效途徑與必然趨勢。目前，生物質膠粘劑原料（大豆蛋白、殼聚糖和木質素等）由于自身存在的缺陷，如結構復雜、物理化學性質不穩定等限制了其發展。與此同時，其結構中存在的各類功能基團，也展現了其潛在的發展優勢。因此，結合海洋粘附蛋白的組成、結構及其粘附機理，開發可大規模應用在木材領域的仿貽貝膠粘劑勢在必行。

1　 海洋貽貝粘附蛋白

海洋貽貝屬于軟體動物門、雙殼綱、翼形亞綱異柱目、貽貝科和貽貝屬等。通過其足絲分泌的貽貝粘附蛋白將自己固定在海水下的巖石、船體和漂流瓶等固體表面，形成抗水的結合，耐受風浪的沖刷。海洋貽貝粘附蛋白具有高強度、高韌性、防水性以及極強的粘附基體等功能，是與其特殊的分子結構、多巴（DOPA）介導的鏈間交聯和與基體作用方式等有關的。耐水性極高、優異的生物相容性和可降解性，使其成為一類極具優勢和潛力的生物膠粘劑[3～6]。

經過漫長的自然選擇與進化，自然界中大量動植物的進化實現了結構與功能的統一。越來越多的研究人員選擇以自然界中存在的具有優異粘附特性的生物材料為靈感基石開展研究工作[7，8]。人們早在20世紀70年代就對貽貝粘附蛋白的組成與結構產生了濃厚的興趣，到80年代，在對紫貽貝分泌出的貽貝粘附蛋白前體序列和結構的初步研究中發現，在形成足絲時由足部分泌的貽貝粘附蛋白Mefp-2是貽貝呈現優異粘接性能的主要功能基團，且其中含有大量的DOPA結構（來源于酪氨酸的羥基化作用）。

1.1　貽貝足絲

貽貝通過分泌足絲使其在金屬、骨骼、聚合物、四氟乙烯及各類礦物質等材料表面均能實現穩固的粘附[9]。貽貝足絲是一束放射狀分布式的線程，其末端形成的粘附盤與接觸到的基體材料表面形成優異的粘接，其組成大概包含25～30種不同的蛋白，包括貽貝足蛋白、預聚合的膠原蛋白和基質蛋白等物質等。貽貝足絲的表面包裹著一層涂層（角質層）一直未得到應有的重視，因為角質層可以有效地隔絕微生物對纖維膠原的侵害且能提供更好的硬度和剛度，其有且僅有一種粘附蛋白Mfp-1。Mfp-1的分子質量高達108 kDa，包含約80個重復的十肽片段A-K-OS-Y*-O*-O-T-Y*-K，高達15%的DOPA含量使其極易氧化。貽貝足絲的各部分對其粘附作用都起著至關重要的作用，其中，粘附盤對固體外表面的粘附具有不可替代的作用。因為粘附盤上有7～8種蛋白，其中更有5種是其特有的，包括Mfp-2、Mfp-3、Mfp-4、Mfp-5和Mfp-6，這些粘附蛋白都包含二羥基苯丙氨酸（Dopa）這種化學成分且具有高等電點，不同的是各自具有獨特的氨基酸序列。Mfp-2是粘附盤內含量相對最多的粘附蛋白，約占其總量的25%[10]；Mfp-3是具有相對最多形態的粘附蛋白，氨基酸序列變體多達35種，精氨酸和酪氨酸經轉錄形成4-羥基精氨酸和DOPA[11]；Mfp-4的分子質量高達90 kDa，且其含有特殊的富含組氨酸的十鈦，在足絲膠原纖維與粘附盤之間的連接處起著關鍵作用[12]。在所有貽貝足蛋白中，Mfp-5的DOPA含量相對最高，含有99個氨基酸殘基，其中DOPA有25個，該蛋白中的絲氨酸極易經磷酸化修飾轉換為磷酸絲氨酸，且具有相對最高的電荷密度和較高的一級結構同源性[13]。至于Mfp-6，雖然DOPA含量較少（＜2%），但半胱氨酸含量則高達11%，研究表明，Mfp-6[14]可能利用半胱氨酸作為多巴醌的親核物質形成半胱氨酰-DOPA交聯結構，且在足絲形成過程中在維持氧化還原平衡方面起著至關重要的作用。研究還表明[15～17]，處于和基材表面緊密結合的粘附盤底層的Mfp-3和Mfp-5是主要的粘附蛋白功能因子，高達20%～30%的DOPA含量明顯有助于附著力地提升；此外，Mfp-3又細分為2個獨立的群體Mfp-3s和Mfp-3f，Mfp-3f中更多的DOPA和帶正電荷的殘基等使其呈現出高度親水性，相反，Mfp-3s呈現出極性和疏水性[18]。

1.2　貽貝粘附機理

足絲分泌的液體能瞬間固化，進而對基體表面呈現的高粘附性原因尚未明確，不過普遍認為粘性的產生是粘附蛋白分子偶合交聯的結果。對于粘附蛋白分子偶合交聯的解釋主要有：①DOPA自氧化成多巴醌；②DOPA和金屬離子之間的絡合反應；③兒茶酚氧化酶的活性作用。

Lee等[19]提出貽貝粘附蛋白通過3種機制來獲得高黏合性：粘附蛋白的偶合交聯，金屬螯合和共價相互作用，其中，DOPA發揮著至關重要的作用。至于DOPA與材料表面牢固結合的機理一直是研究的熱點與難點，貽貝足蛋白內含有大量的DOPA結構（多酚氧化酶轉錄羥基酪氨酸產生的氨基酸），DOPA側鏈上的兒茶酚可以與親水性表面形成氫鍵并與金屬離子（如Fe3+， Cu2+）形成絡合物。兒茶酚具有多種化學性質，使其可以與有機和無機表面通過共價作用或非共價作用結合[18，20]。起初，氫鍵被認為是DOPA具有高粘附力的原因。Lee等[21]通過原子力顯微鏡（AFM）研究了DOPA的單分子粘附力，認為DOPA與金屬氧化物間穩固的粘接是由于DOPA中兒茶酚與氧化物的金屬原子形成的配位鍵造成的。

隨著研究的深入，各種理論被提出：①DOPA與有機物表面是通過醌類物質與親核物質間的共價鍵實現牢固結合的；②有氨基參與的邁克爾加成和席夫堿形成；③DOPA與黏液素的反應存在強的非共價相互作用。

盡管對海洋粘附蛋白的粘附機理[13，17，22]尚未完全掌握，但在膠接界面存在的高濃度鄰苯二酚體系無疑對粘附有著良好的促進作用。進一步深入研究發現，海洋粘附蛋白中廣泛分布著大量的鄰苯二酚類氨基酸。DOPA側鏈的兒茶酚與不同類型的材料表面通過多種化學反應和交聯賦予海洋粘附蛋白優異的粘附性能。兒茶酚在各種基材表面的聚合早有報道，針對不同課題（聚合機理、穩定性和聚合條件）的眾多問題和爭議仍然凸顯。加利福尼亞大學圣芭芭拉分校（UCSB）的研究人員認為[23]，陽離子殘基-賴氨酸和精氨酸同兒茶酚一樣，對粘附有著重要的貢獻；粘附體系的幾何結構和配位熵同樣影響著粘接效果；并進一步證明了兒茶酚在粘附體系中的關鍵作用。為了減少研究全蛋白質的復雜性，通過表面張力儀（SFA）測量了各種循環結構內的相互粘附作用。以此證明了：①鄰苯二酚與胍鹽側鏈氨基的協同作用促進附著力地提升；②隨兒茶酚類結構中銨離子的比例增長，附著力有所降低；③兒茶酚和氨基的協同作用在同一個分子的時候達到相對最大效用。盡管對于兒茶酚結構聚合的熱力學和動力學原理都尚未清晰，但其強界面結合能力為材料改性方向提供的平臺是毋庸置疑的[24]。兒茶酚有助于實現界面結合和粘附蛋白的快速固化。其中的羥基使其能夠形成氫鍵促進了對材料表面的吸附，苯環則與另外芳香環通過電子作用來改善粘附性質，使其粘附在富含芳香化合物的材料表面。經過多年的研究，DOPA中的兒茶酚呈現出了多元化的功能，通過氫鍵和共價鍵附著于極性表面，通過金屬絡合物或是共價交聯形成粘附體系，在很大程度上促進了海洋生物蛋白類膠合劑和涂料的應用，并涉及各個領域（如醫用或牙科用膠粘劑[25，26]、水凝膠或自愈水凝膠[27，28]、 生物相容性涂層[29]和生物高分子材料[30]等）。此外，兒茶酚在富含氧的基本環境下極易氧化成醌類結構，當兒茶酚被氧化后，便具有了高活性并參與到分子間的共價交聯，與親核基團反應（如氨基）形成共價鍵[17]，而海洋蛋白類膠粘劑優異的耐水性能則被認為是由于高活性的醌類結構產生的。貽貝粘附蛋白雖然具有許多優異的性質和廣闊的應用領域，但由于其極為有限的生產[31]，貽貝粘附蛋白的實際應用受到很大限制。

2　 生物質仿貽貝蛋白膠粘劑

通過將貽貝粘附蛋白功能元（鄰苯二酚基團、氨基和羥基等）與合成高分子結合，達到復制甚至超越天然粘附蛋白粘附效力的目的，這是目前仿貽貝蛋白膠粘劑領域研究的熱點之一。大多數研究認為，在貽貝所分泌的粘附蛋白中，一種帶有鄰苯二酚側基的氨基酸殘基（DOPA）對強力粘附起到了關鍵作用，這種鄰苯二酚結構既可以通過氧化交聯形成共價鍵來提升粘接性能，也可以通過與金屬離子（主要是Fe3+）以及不同基材表面的配位來增加粘附強度。目前大部分的仿貽貝膠粘劑都旨在通過向不同高分子的側鏈上引入鄰苯二酚結構，以達到粘接的效果。相比而言，天然生物質高分子可以呈現出更優異的仿生特性。

2.1　木質素在仿貽貝生物質膠粘劑中的應用

天然植物中木質素就像膠粘劑一樣，分布在纖維的周圍以及纖維內部的細小纖維之間，使之成為強有力的骨架結構，樹木之所以能夠挺立幾十米甚至上百米不倒，就是因為木質素的粘接力。木質素是自然界中最豐富的可再生芳香族聚合物，具有芳香環以及高度交聯的三維網狀結構。在木質素的結構中含有酚羥基和甲氧基等，并且在苯環的第5碳位沒有取代基，即苯環上有可反應交聯的游離空位（酚羥基的鄰、對位）可以進一步交聯固化；同時，木質素結構中亦含有一定量的酚羥基和羧基等，使木質素具有較強的螯合性，這成為了木質素可以作為膠粘劑的基礎。路遙等[32]以揭示木質素的化學組成為出發點，闡述了木質素結構研究的最新進展，向膠粘劑領域表明了木質素作為替代原料展現出的良好應用前景。

Li等[33，34]研究發現，木材在褐腐過程中發生氧化和脫甲基后形成的鄰苯二酚結構，與海洋生物蛋白有著相似的基團，進而通過含有此鄰苯二酚結構的濃縮丹寧、脫甲基木質素和工業堿木素與聚乙烯亞胺進行反應加以驗證，制備的無醛膠之干膠合強度較商業酚醛樹脂稍差，但經沸水處理后的濕膠合強度僅有小幅度的降低。深入討論此無醛膠的固化機理發現，木質素苯環上的酚羥基會被氧化成醌類結構進而與聚乙烯亞胺發生反應，在本質上，此過程與醌鞣是相似的，包括席夫堿形成和邁克爾加成等多種反應。

2.2　殼聚糖在仿貽貝生物質膠粘劑中的應用

幾丁質是自然界中僅次于纖維素的第2大天然聚合物，是大量無脊椎動物結構中的主要元素（如甲殼類動物、真菌細胞壁等）。其中，被大家所熟知的殼聚糖（幾丁質的一種）存在于一些毛霉菌科真菌中。幾丁質溶解性極低，而殼聚糖因其結構中的氨基可溶于水和大部分有機溶劑，這也為其進一步研究提供了保障。殼聚糖是一種可降解吸收的天然氨基多糖，因其獨特的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性以及微生物降解性等優良性能而被廣泛關注。殼聚糖作為天然的高聚物，具有較小的表面張力，適宜的粘性和良好的滲透性，在膠粘劑領域具有較好的應用前景。此外，殼聚糖大分子中含有活潑的氨基和羥基，具有極性和形成氫鍵的能力，提供了便于化學改性和化學交聯的活性位點，具有較強的化學反應能力[35]。

Peshkova等[36]在早期對苯酚-殼聚糖復合膠粘劑的研究中就指出了苯酚與殼聚糖的反應機理類似于海洋貽貝蛋白的粘附機理，為日后對殼聚糖仿貽貝膠粘劑的探索奠定了理論基礎。學界普遍認為，醌型結構與氨基間復雜的化學反應是海洋粘附蛋白獲得優異粘附性能的主要因素。Long Chen等[37]在早期對木質素/殼聚糖復合膜的研究中，證實了殼聚糖和木質素的反應可以形成牢固的氫鍵作用力。開辟了一種新型環保且廉價的木質素/殼聚糖復合材料。在Ibrahim等[38]的研究中發現，利用經漆酶氧化處理后的堿木素與富含氨基的3種聚合物（分別是聚乙烯亞胺，大豆蛋白和殼聚糖）共混制備的木材膠粘劑，其膠合強度可達1 MPa左右，并探究了經漆酶處理后，再經過硼氫化鈉還原處理的木材膠粘劑發現，殼聚糖共混膠粘劑經硼氫化鈉處理后，膠合強度大幅降低；經漆酶氧化處理的木質素，再經硼氫化鈉處理會降低木質素的活性羰基含量并大幅降低氫鍵的形成和相應的結合力。

Yamada等[39]類比海洋貽貝蛋白的粘附機理，試圖通過酪氨酸酶催化多巴胺反應得到相應的醌型結構，再進一步與殼聚糖作用，賦予殼聚糖膠液耐水性能。研究發現，改性后的殼聚糖膠液黏度有大幅地提升，且耐水性能良好。進一步研究發現[40]，膠液的耐水性能與改性后殼聚糖增加的黏度息息相關，實際上，一定范圍內膠合強度隨著殼聚糖分子質量和氨基濃度的增加而增加，酪氨酸酶的選用也對膠合強度和凝膠化的速度有著極為重要的影響。目前，受限于海洋貽貝粘附蛋白的粘附機理尚未完全掌握，有關殼聚糖仿生膠粘劑的研究不多。最近，Ryu等[41]對殼聚糖-兒茶酚復合材料在生物醫學領域的應用作出相應總結，通過殼聚糖-兒茶酚復合材料的合成、表征和應用等方面進行了全面的概述，也為以后殼聚糖仿生膠粘劑在木材膠粘劑領域的進一步探索與研究提供參考。

2.3　大豆蛋白在仿貽貝生物質膠粘劑中的應用

作為復雜高分子材料，大豆蛋白因其廉價、易得及優異的結構特性而受到廣泛關注。大豆蛋白分子中含有大量活性基團，并且自身具有可再生、可生物降解等優點。類比海洋貽貝粘附蛋白，雖然同屬蛋白質類物質，2者都是由20多種氨基酸按不同比例組合而成，但是大豆蛋白具有不同的氨基酸序列。最近，Vnu?ec等[42]以大豆蛋白的組成和結構為切入點，加以各種科學手段輔證，綜合論述了大豆蛋白在膠粘劑領域的重要地位及未來前景。

Li等[43]認為，海洋貽貝粘附蛋白中含有大量的半胱氨酸，受海洋貽貝粘附蛋白啟發，試圖通過增加大豆蛋白中巰基的含量，進而改善大豆蛋白基膠粘劑的耐水性能，并進一步探究巰基對膠合性能的影響。研究發現，巰基可以通過酰胺鍵引入到大豆蛋白中，通過耐水性實驗，證實了巰基含量對膠合性能有顯著影響，但是對巰基的作用機理知之甚少。結合早期的研究結論[44，45]，對巰基的作用機理做出了以下推斷：①大豆蛋白中的巰基易被氧化為二硫鍵，進而通過交聯反應形成三位網狀結構；②熱壓階段，酪氨酸被氧化為醌類結構，進而與巰基發生邁克爾加成反應；③大豆蛋白中大量的氨基與木材形成氫鍵，且熱壓階段，木質素中的酚羥基被氧化為醌類結構并與巰基發生作用。

Gui等[46]首次將經烏洛托品改性的濃縮丹寧與大豆蛋白共混，制得的新型生物質膠粘劑用于3層復合膠合板的粘接。通過物理性能測試發現，此類膠粘劑具有良好的表觀黏度且膠合板濕剪切強度高于0.95 MPa，相比傳統的PAE（聚酰胺多胺環氧氯丙烷樹脂）改性大豆蛋白膠粘劑[47]，呈現出更高的交聯密度。進一步通過紅外、熱重和掃描電鏡等化學分析發現，此類膠粘劑固化后呈現的高交聯密度主要歸因于以下2個原因：①烏洛托品分解產生的亞氨基與丹寧苯環的親核位點反應形成胺基-亞甲基，胺基-亞甲基再進一步與丹寧分子反應，增加了最終膠粘劑的交聯密度；②鄰苯二酚經氧化形成醌類結構，進一步與大豆蛋白交聯反應進而增加了交聯密度。

3　 結語

從我國膠粘劑市場看，缺乏環保型、高品質和高性能的特種膠粘劑產品。石化類膠粘劑膠合性能達標，但污染環境；生物質膠粘劑的研究又只限于實驗室階段，且膠合強度較低、耐水性較差。探索高技術含量、高附加值和高性能的膠粘劑新產品迫在眉睫。海洋粘附蛋白的耐水性能及良好的生物降解性、生物相容性和無毒性，激發了一系列仿貽貝粘附膠粘劑的研究工作。隨著海洋粘附機理研究工作的深入與普及，針對生物質膠粘劑領域的耐水性及膠接強度等難題有望得到徹底解決。

從貽貝中直接提取和基因工程的方法獲得的天然粘附蛋白成本較高，不具備實際應用的可行性。目前，受貽貝粘附機理的啟發，研究人員試圖通過模擬粘附蛋白結構這一突破點，解決目前生物質膠粘劑耐水性較差、膠合強度較低等難題。近年來，貽貝粘附蛋白的仿生研究主要基于形成DOPA結構或兒茶酚功能基團的線性或支鏈聚合物來模擬海洋貽貝粘附。以仿貽貝粘附蛋白聚合物為平臺，借助于天然生物質本身結構特性，充分利用兒茶酚的氧化還原特性及醌類結構與有機基團（氨基/巰基）的反應能力，開辟出一系列新型生物質仿貽貝膠粘劑。