摘要：复旦大学赵天聪研究员团队采用有机-无机杂化方法，构建新型仿生多酚胶水。以介孔二氧化硅纳米材料为填料，邻苯三酚和聚乙烯亚安为胶水主体，所制备的仿生胶水具有超高的粘附强度。以玻璃片为模型的测试显示粘附力达到2.5 mPa，甚至可以在玻璃被拉断时仍然维持粘附。
关键词：仿生，胶水，多酚，粘附，有机-无机杂化
图1：新型仿生杂化胶水的相关表征。以玻璃片为模型时，胶水可以提供超强粘附力，甚至可以在玻璃被拉断时仍然维持粘附。
仿生研究一直推动着包括材料在内的诸多领域的发展。贻贝和牡蛎分泌一种复合黏液，其中既包含无机物质又包含有机聚合物，这种黏液在凝固后形成强大的黏附效果。这种基于多酚的生物胶水通过多种分子间力的协同作用表现出强大的黏附性，对提高研究人员对软材料相互作用的理解起到了关键作用。通过学习和模仿这种多酚基生物胶水，研究人员已经在合成一系列材料，如纳米颗粒、水凝胶、生物黏合剂等方面取得了进展。这些进展已经带来了在高性能黏附、抗菌性能以及组织再生方面的突破。然而，以前的研究主要集中在这种复合材料的有机聚合物成分上，对存在的无机物质的研究相对有限。揭示这些无机成分如何与有机聚合物协调以及通过它们的结合构建高性能无机-有机复合材料具有深刻的科学意义。
介孔材料因其独特的孔结构、高表面积和出色的生物相容性而在各个领域展现出广泛的应用前景。近年来，介孔材料作为"填充剂"用于改性物质引起了广泛关注。介孔材料的独特孔结构允许最大程度地与基质相互作用。代表性的例子，如介孔二氧化硅，表面富含功能基团，有助于与基质相互作用。此外，介孔材料的大孔容积增强了基质内部的空气流动，从而提高了材料的成形速率。近年来，人们已经在增强电池、催化剂、吸附剂、凝胶等材料的性能方面努力将介孔材料作为填充剂的应用。然而，在仿生黏合剂领域，虽然有关引入无机纳米颗粒（如纳米硅、碳酸钙等）以改善黏附性能的报告，但在生物黏合剂中使用介孔材料作为填充剂的研究相对较少。介孔材料与聚合物的各种分子间力协同作用以及它们对生物黏合剂的物理化学性质的影响需要进一步深入研究。
在这里，我们首次报告了在仿生黏合系统中使用介孔材料的研究。引入介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）显著提高了邻苯三酚（PG）-聚乙烯胺（PEI）黏合剂的黏附性能。随着MSN浓度的增加，该黏合剂对玻璃基板的黏附强度从0.5 mPa增加到令人印象深刻的2.5 mPa，增强了五倍。在高浓度的情况下，黏合剂表现出异常强的粘合性，以至于玻璃基板在黏合剂接头破裂之前破碎。通过对各种多酚、聚合物和填充剂进行比较测试，我们观察到多酚的分子结构显著影响了黏附强度的有趣现象。我们提出，立体位阻决定了π-阳离子相互作用和电荷相互作用之间的平衡，这是介导多酚-PEI-MSN多组分组装的主要机制，并决定了黏附强度。最后，我们评估了这种仿生黏合剂在冷冻、阳光暴露和水中浸泡等条件下的稳定性，证实了它在实际应用中的潜力。我们相信，这项关于介孔材料应用于仿生黏合剂的研究将不仅加深我们对复合材料中有机和无机成分相互作用的理解，还将开拓新的发展道路，推动新型仿生材料的开发。
相关工作以“A Mesostructure Multivariant-Assembly Reinforced Ultratough Biomimicking Superglue”为题目发表在Macromolecular Rapid Communications上。本文第一作者为吉林大学工程仿生教育部重点实验室博士生徐金，通讯作者为复旦大学化学与材料学院赵天聪研究员。
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