普通胶粘剂在水下或潮湿状态很快失去粘附功能，如何设计出具有水下高粘附性的材料一直是工程领域的研究难点与热点。很多海洋生物（如贻贝等）能分泌出粘附性很高的蛋白进而牢牢地附着在岩石或船体上。图1. 附着在礁石、管道里的贻贝及其用于附着的足丝。图片来源于网络
贻贝超强附着力的秘密武器就是身下的“足丝”。关于足丝的研究可追溯到半个世纪前，研究人员们发现足丝是一种蛋白质-金属配位复合物，含有高浓度的3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA），其原料—液态原蛋白是由贝足内的可流动的微米级分泌囊泡产生，短短几分钟即可通过纵向微导管（LDs）内的纤毛运输分泌出来。图2. （A）足丝蛋白，（B）贻贝的贝足，（C）贝足的CT解剖图像可以看到蓝色的LD微通道网络与（D）微通道LD的横切面。图片来源：Science
海水中的可溶性铁和钒的浓度极低，在1-50 nM之间，而贻贝作为一种滤食性动物，其软组织和其附体中富集了广泛的水体金属（包括Ag、Cd、Cr、Cu、Fe、Ni、Pb、Ti、V和Zn等）。足丝蛋白之所以粘附牢固是因为贻贝利用了铁、钒离子形成具有强大粘合力的DOPA-金属配位键。但由于贻贝坚固的外壳，这种高效粘合剂怎样在贻贝体内合成，在微导管中运输时金属离子怎样被引入配位……这些问题我们还不得而知。这成为了化学家们研制高性能仿生水下粘合剂路上巨大的绊脚石。有鉴于此，加拿大麦吉尔大学Matthew J. Harrington教授等人，利用显微共聚焦拉曼光谱成像等多种研究方法，阐述了贻贝足丝蛋白的形成与分泌过程，并发现了金属离子如何引入并成键，揭开了这个多年的秘密。相关研究成果以题为“Microfluidic-like fabrication of metal ion–cured bio-adhesives by mussels”发表在Science期刊上。拉曼成像揭示贻贝足纵向导管(LDs)组织结构及物质分布
图 1 | 贻贝足A.STEM染色结果；B.各组织结构特征拉曼光谱；C.LDs的冷冻切片（5 µm厚度）的光学图像，黑色框为拉曼成像区域；拉曼强度分布图像显示了成像区域各结构的分布：蛋白斑块囊泡（D）、腺细胞核（E）、管腔中的纤毛（F）、DOPA-金属离子络合物（G）、线粒体（H）、糖原（I）、合并拉曼成像结果（J）。
拉曼光谱及成像分析系统：WITec alpha 300R 显微共聚焦拉曼光谱仪
为了探究贻贝高粘合性机理，研究团队首先对贻贝足纵向导管（LDs）的截面进行了详细的拉曼光谱光谱及成像分析（图1），成像结果直观显示了LDs及周围的组织结构和物质分布：在LDs管腔四周分布有大量的细长斑块腺细胞及其分泌的椭圆形蛋白斑块囊泡；在LDs周围还可以识别出亚微米大小的DOPA-金属络合物颗粒的存在；与此同时，该区域大量线粒体和糖原的存在表明生化过程需要细胞的能量供给。金属自显影(AMG)、微区x射线荧光(mXRF)（图2B）和能量色散x射线光谱(STEM-EDS)结果表明贻贝足周围存在明显的铁、钒金属离子存储颗粒（MPs）,但无法证明金属离子的存在方式；特定的DOPA-金属配位的拉曼共振峰（图2A)，表明金属微囊泡（MSPs）中的金属很可能与有机成分有关，以双齿配位的方式与儿茶酚基配。STEM-EDS检测MSPs中的氮、氧和碳（图2C），支持了这一点。图 2 | LDs中金属离子的储存和分布。A.LDs的拉曼成像，左：C-H （2900-3000 cm−1）的拉曼成像，右：有机-金属络合物（500~700 cm−1）的共振拉曼成像，下：MSPs的拉曼光谱显示多个金属络合共振峰（虚线突出）；B.在200 mm厚的贻贝足截面上的显微-XRF测量显示铁（黄色）和钒（靛色）的分布，箭头表示LDs位置；C. STEM-EDS测量显示LDs区域各元素的分布。拉曼光谱及成像分析系统：WITec alpha 300R 显微拉曼成像光谱仪纵向管道LDs组成了一个相互连接的复杂微通道网络，这个大型“加工厂”周围堆积着生产足丝所需的原材料——原蛋白质和金属，并配备了将“货物”运送出去的纤毛。为探究粘合剂的形成过程，研究团队利用拉曼成像对贻贝足不同位置截面进行了高分辨拉曼成像分析，结果表明：在分泌的早期阶段，微通道导管内凝聚的蛋白具有均匀的成分，其光谱与囊泡中观察到的几乎相同，而金属微囊泡则还在周围组织中（图3AI）；到了分泌后期，在接近分泌出口的位置，金属微囊泡也被分泌到微导管腔内，并与蛋白质混合（图3AII），但也仅仅是混合在一起，还未发生配位键和；最后，在分泌出口位置，通过拉曼光谱检测到大量密集的DOPA-金属配位（图3AIII），而不均匀的分布表明金属离子在金属微囊泡以及蛋白质中不断发生混合和扩散（图3B）。金属离子与蛋白原液的混合过程也是如此的巧妙。金属微囊泡中的儿茶酚与蛋白-金属结合强度受到微导管内物理化学条件的影响（如pH值、盐含量，或者可能是儿茶酚的化学差异）。通常，蛋白原液的储存和分泌是在pH=2的酸性环境下发生的，此时金属离子通过儿茶酚的配位亲和力是很弱的，从而允许金属离子在纤毛的作用下在蛋白原液中均匀扩散。而DOPA的双齿螯合作用通常只在pH值增加时发生。随着分泌的进行，当pH值增加到海水的微碱性（pH≈8）时，分散的金属离子被富含DOPA的足丝蛋白强烈螯合，形成粘性配位键，从而机械强化整体足丝结构。研究人员通过对贻贝足亚细胞水平的高分辨分析表征，发现了贻贝足内微米级导管通道内发生的精细生化过程，揭示了贻贝在海水中制作强大胶水的生化机理：贝类将海水中吸收的铁和钒离子富集存储在细胞内与含儿茶酚分子复合的金属储存囊中，在足丝形成过程中，分别存储有浓缩蛋白和金属离子的两类分泌囊在微流通道状的导管网络中混合，并在新生的旁路内形成蛋白质-金属键。金属配位提供强大的粘合力，促进流体足丝蛋白在海水条件下固化成固体粘合剂。整个过程堪称微流控合成的经典案例。
这些发现对开发下一代金属聚合物粘合剂有着深远的影响，金属离子的逐步释放混合过程与pH值改变引发的液固相变可能会促进新型环境友好3D打印技术的发展，为液体前体自发形成分层多孔固体过程提供了全新的物理化学思路。
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