Science ：神奇的注入型潤滑劑材料讓貽貝不再“粘人”

【引言】

貽貝是一種宏觀結垢生物體，可以附著在大多數固體表面，對海洋和水產養殖業造成嚴重的經濟及生態影響。 本文證明，在實驗室模擬環境及海洋真實環境下，潤滑劑注入涂層后超低的粘合強度可以使得貽貝附著力減弱。在沉積的粘合蛋白觀察中，從納米尺度接觸力學的分子尺度表征到宏觀觀察，都表明通過潤滑劑輸注可以使得貽貝的結垢機械感應能力大大減少，阻止粘合劑的線性分泌，并減少分子粘附力。本實驗研究表明，潤滑劑輸注是減輕海洋生物污染的有效方法，而且進一步提供了防止粘連的物理機制。

【成果簡介】

海洋生物污染是海洋生物附著在水下結構的過程，是海運行業的重大經濟負擔。沉積在浸沒表面上的結垢有機體會增加阻力，降低船舶的機動性，進而提高油耗。生物污染也對港口和漁業基礎設施造成不利影響，例如嚴重堵塞循環管道。因此，防止生物污染相當重要。貽貝通過粘合彈性蛋白質絲可以無差異地附著到任何親水/疏水的固體表面，包括金屬，礦物，塑料，水泥甚至含氟聚合物。

近期，來自哈佛大學的Joanna Aizenberg、 弗里德里希 - 亞歷山大大學的Nicolas Vogel和 新加坡南洋理工大學的Ali Miserez（共同通訊作者）等人在Science上發表了一篇關于利用潤滑劑注入材料進而防止貽貝粘附的文章，題為“Preventing mussel adhesion using lubricant-infused materials”。文中介紹了注入潤滑劑的表面可成為新型防水涂料，具有很好的防止生物污染能力。通過不混溶、不反應的液體潤滑劑覆蓋在固體基材上，以防止其與貝類與材料直接接觸。穩定的液體保護表面可以通過兩種一般策略進行設計。首先，潤滑劑可以干預化學功能化的粗糙度特征，使得范德華力和毛細管力的擴散和保留；第二，聚合物網絡可以用潤滑劑注入，以形成一種三維（3D）凝膠，具有自補充的潤滑劑覆蓋層。除了維度（2D與3D）之外，兩種方法所得材料的彈性模量（E）有很大的不同。文中推測，因為潤滑劑注入的涂層在排斥有機液體、水，減少細菌、血液和藻類的結垢方面特別有效，所以它們可以有效地防止貽貝粘附。

【圖文導讀】

圖1 冬青貽貝沉降和斑塊分泌圖示

（A）在最初（左）均勻放置并允許移動的貽貝和沉降48小時（右）的各種表面的隨機格子棋盤排列；

（B）每個棋盤中每個表面類型的粘貼斑數量；

（C）不同表面類型中每個載玻片的平均粘合斑塊；

（D至F）線分泌的實時觀察實例。藍色方框內是突出分泌的粘合線和斑塊。

圖2 貝類粘合劑足跡分析圖

（A）實驗示意圖；

（B）不同表面的平均粘合強度；

（C）貽貝斑塊脫離后的MALDI-TOF光譜。

圖3 不同材料的防粘連圖示

（A）靜置8和16周后，每種表面類型相關的污染群體的代表性圖像；

（B）污染區域的覆蓋面和組成。

圖4 不同表面的納米接觸力學圖

（A）特征負載—位移曲線；

（B、C）兩種表面的粘合力方案；

（D）潤滑劑注入表面的代表性壓痕曲線；

（E）相應接觸方式的代表性壓痕曲線；

（F）在潤滑劑注入表面接觸時，隨著時間的推移，貽貝腳粘連力的模擬分布圖。

圖5 貽貝在非灌注（左）和灌注（右）表面的粘附力學圖

【小結】

有潤滑劑注入的表面材料對抗貽貝（其中最普遍的海洋大分子物質之一）表現出顯著非結垢活性。研究人員在多個長度尺度上的綜合研究發現這種防污性能的基本機制。首先，潤滑劑覆蓋層可能會干擾貽貝在檢測到固體表面時觸發粘合劑行為的機械傳感機制。第二，所得的材料附著強度較低。夾帶的潤滑劑影響粘附的分子作用，其通過閥效應降低宏觀粘附性。重要的是，該法可以制成噴涂材料，允許在任意表面上容易的大規模應用，并且由于潤滑劑在聚合物涂層的擴散可以有效補充而具有長久的性能。研究結果表明，潤滑劑注入的材料有望解決與海洋生物污染有關的重要經濟和生態負擔，特別是那些由貽貝物種入侵引發的生物污染。

文獻鏈接： Preventing mussel adhesion using lubricant-infused materials（Science，2017，DOI: 668–673）

本文由材料人編輯部高分子學術組王一賀供稿，材料牛編輯整理。

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