帶子、江珧等貝類的足絲有多堅韌?是否有仿生學價值?


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要想細說這個問題其實還是很困難,挑幾個點說一說。

貝類的足絲其實很早就被人類注意到了,沒辦法,不管在什麼地方,它們都像漆黑之中的螢火蟲一樣,鮮明而出眾。它們確實很值得進行仿生材料學研究,不過相比於韌性來說,粘附性能其實更出眾,這些貝類,可以一層摞一層地粘到船底,有時候能粘好幾米厚,又或者,它們趴在石頭上時,哪怕經歷再大的風險,再大的浪,也會有默契的目光……怎麼念起來這麼順……

1981年,Waite等人研究貽貝(Mytilus Edulis)的時候,發現在貽貝的足絲盤上,有一種特殊的蛋白質,按照科學家們毫不動腦筋的命名方法,給其取名為Mfp貽貝足絲蛋白(Mussel Foot Protein)。這當然不算什麼巨大的發現,關鍵的一點是,這種蛋白中大量含有一種特殊的氨基酸殘基,引起了轟動。

這種氨基酸是3,4 - 二羥基苯丙氨酸,不是常規的氨基酸,所以我們也不是太熟悉,它的模樣長成這樣:

為了使用起來簡單,於是就簡稱為了DOPA,中文翻譯成多巴。

說到這裡,似乎有點讓人耳熟,又好像讓人有些興奮,多巴胺不就是那個讓人產生快感的東西嗎?和多巴之間有關係嗎?
有可有,非常有!
多巴胺長這樣:

區別非常簡單,就是多巴的羧基掉了而已。

之所以會注意到這個特殊的氨基酸,是因為在貽貝足絲蛋白中,多巴的比例實在是不小,在一些蛋白質中可以達到摩爾比10%以上,換句話說,一個由1000個氨基酸聚合城的蛋白質里,其中一百多個氨基酸都是多巴。更重要的是,多巴比例越高,粘附力越強,比如界面處的Mfp-3和Mfp-5兩種蛋白,其中的多巴摩爾比分別達到了20%和27%。

於是,Waite等人對這一結果非常興奮,顯然發現貽貝中的多巴,也刺激了他們體內多巴胺的分泌,在此基礎上對多巴進行聚合,成為一種新型的粘合劑,成果發表在Science上。
J. H. Waite, M. L. Tanzer, Science,1981, 212(4498), 1038-1040

自此之後,多巴在仿生材料學方面的意義就變得舉足輕重,比如在中國知網上,如果搜索「多巴」兩個字,可以得到十幾萬個搜索結果,而在Elsevier資料庫中搜索「Dopa」,也可以搜索到近六萬條記錄。當然,這其中有很多是多巴在生物學及醫學領域的應用,材料學也只是其中一部分。

那麼,這玩意兒在材料方面到底為什麼重要呢?
我們這裡先要插一句,為什麼多巴含量越高,粘附力就越大呢?這當然和苯環上兩個酚羥基有關。不過,介於目前粘附機理還有待突破,大家也只能先猜測著,大概是因為氫鍵吧。通常粘合劑都需要有固化這個環節才能起作用,足絲蛋白能夠瞬間固化,這也是高強度附著力的來源之一。儘管這些解釋用來回答高粘附力還有不足,但卻可以解答題主的疑惑,那就是足絲的韌性。正是因為氫鍵的存在,以及內部交聯反應容易發生,足絲才有了超強的韌性。這兩個特點,分別類似於尼龍與SBS橡膠(SBS雖然可以不需要交聯劑,但苯乙烯在其中的存在類似於自交聯的作用)。
此外,關於粘附力的解釋,也有的說法認為是π鍵在起作用,以及還有金屬離子的配位作用等。
所以不管怎麼說,多巴含量較高的聚合物,具有極強的附著力,而且可以附著到金屬及金屬氧化物上,甚至連四氟塑料都能粘上,這實在是件不小的本事。
一般來說,水的存在會對粘附力產生明顯的負面影響,可是貽貝的足絲蛋白卻可以在濕環境下粘附,這又是個不錯的性能。
更重要的一點,是多巴的生物相容性好,可以在動物體內應用。
於是我們結合上面這三個特點:粘著力高、抗濕、生物相容,所以,這種仿生材料到底用在什麼地方最理想?
答案就呼之欲出了,正是我們的人體啊!
其實,我組正在做的有關多巴的科研工作,也是關於多巴聚合物用於器官移植方向的一些材料,我雖然不直接玩這個領域,不過聽聽報告,耳濡目染了不少,應該說前景還是非常不錯的。
(完)

正事說完了咱就可以發車了:
在百度上搜索「足絲」這個關鍵詞,也是可以催動體內多巴胺分泌的,可見客觀世界在很多時候都是相通的:

如果是跟我一樣好奇鮑魚有沒有足絲,以及鮑魚的足絲是什麼樣,輸入「鮑魚」加「足絲」,哎呀,我都不敢貼截圖了……


這個問題不僅僅是化學問題,還是個軟材料力學問題。請參照mit的 xuanhe zhao的工作。


僅僅靠目測和常識的話,沒太大價值。相對於蜘蛛絲,貝類的絲很粗大但還不是一扯一剪就斷。


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